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1、个人资料整理仅限学习使用 三江学院毕业设计，以及大功率电动 机的起动，电焊机的工作，特别是大型电弧炉和大型轧钢机冲击性负荷的工作，均会引 起负荷的急剧变动，使电网电压损耗随之产生相应变动，从而使用户公共供电点的电压 出现波动现象。而上述情况所造成的电压波动，又会给用电设备造成不应有的过压、欠 压现象。如长时间供给用电设备，则会极大的损坏用电设备。所以在用电设备使用中， 会加入相应的保护电路，以保证用电设备在正常的供电状态下使用。当供电线路出现 过、欠压时，保护电路进行有效保护，从而确保用电设备安全正常运行。保护电路中主 要是电压比较器在起作用，电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放
2、大 器。 电压比较器的功能：比较两个电压的大小( 用输出电压的高或低电平，表示两个输 入电压的大小关系 ： 当”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出为低电平； 电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和 变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。可用于报警 器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F 变换电路、 A/D 变换电路、高速采样 电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。 简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，改进后的电压比较器
3、有：滞回比较器和窗口比较器。 运算放大器是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可 以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的 量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性 量，而输出是开关 是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+”端及反相输入端 (“ - ” 端，有一个输出端Vout( 输出电平信号 。另外有电源V+及地( 这是个单电源比较器 ， 同相端输入电压VA ，反相端输入VB 。VA 和 VB 的变化如图1(b所示。在时间0t1 时，VAVB ；在 t1 t2 时，VBVA ；在 t2 t3
4、 时，VAVB 。在这种情况下， Vout 的输出 如图 1(c所示： VAVB时， Vout 输出高电平 ( 饱和输出 ；VBVA时， Vout 输出低电 平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。 如果把 VA输入到反相端， VB输入到同相端， VA及 VB的电压变化仍然如图1(b所 示，则 Vout 输出如图 1(d所示。与图 1(c比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化 与 VA 、VB的输入端有关。 图 2(a是双电源 ( 正负电源 供电的比较器。如果它的VA 、VB输入电压如图 1(b那 样，它的输出特性如图2(b所示。 VBVA 时，Vout 输出饱和负电压。 个人资料整理仅限学
5、习使用 图 1 单电源比较器框图及工作波形 图 2 双电源比较器框图及工作波形 如果输入电压 VA与某一个固定不变的电压VB相比较，如图 3(a所示。此 VB称为 参考电压、基准电压或阈值电压。如果这参考电压是0V(地电平 ，如图3(b所示，它 个人资料整理仅限学习使用 一般用作过零检测。 图 3 其他比较器框图 比较器的工作原理 比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用 电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。 图 4(a由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器 R2、R3 分压 后接在同相端， VB通过输入电阻 R1
6、接在反相端， RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电 压，则其输出电压Vout 与 VA 、VB及 4 个电阻的关系式为： Vout=(1+RF/R1R3/(R2+R3VA-(RF/R1VB 若 R1=R2 ，R3=RF ，则 Vout=RF/R1(VA-VB ，RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0( 相 当于 R1、R2短路，R3=RF= (相当于 R3、RF开路时，Vout=。增益成为无穷大，其 电路图就形成图4(b的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际 上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout 输出是饱和电压，它小于正负 电源电压，也不可能是无穷大。 图 4
7、 运算放大器和比较器 从图 4 中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大 器电路。 比较器与运算放大器的差别 个人资料整理仅限学习使用 运算放大器可以做比较器电路，但性能较好的比较器比通用运放的开环增益更高， 输入失调电压更小，共模输入电压范围更大，压摆率较高( 使比较器响应速度更快。另 外，比较器的输出级常用集电极开路结构，如图6 所示，它外部需要接一个上拉电阻或 者直接驱动不同电源电压的负载，应用上更加灵活。但也有一些比较器为互补输出，无 需上拉电阻。 比较器电路本身也有技术指标要求，如精度、响应速度、传播延迟时间、灵敏度 等，大部分参数与运放的参数相同。在要求不
8、高时可采用通用运放来作比较器电路。如 在 A/D 变换器电路中要求采用精密比较器电路。 由于比较器与运放的内部结构基本相同，其大部分参数(电特性参数 与运放的参数 项基本一样 ( 如输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流等。 图 6 运算放大器应用举例 参考文献 1 葛学仪，过压欠压保护电路J, 广东电子论文， 1996.2 2 直流过压保护电路 J ，广东电子论文， 1993.10 3 许生礼 , 简单实用的过流过压保护电路工程建设J, 工程建设与档案论文， 2005.2 4 屈春华 , 线路简单的过流过压保护电路电子技术应用J, 电子技术应用论文， 1997.3 5 李志华，一种三相交流
9、电源的相序的过压, 缺相 , 欠压保护电路 J,工业技术通讯论 文 1990.4 6 纪宗南 , 电压比较器的应用集成电路应用J,集成电路应用论文， 1990.5 7 乜国荃 , 集成运放和电压比较器 J,青海师范大学学报 , 自然科学版 2006.2 8 曾庆贵 CMOS 运算放大器和电压比较器 J,现代通信论文， 1994.6 9 NiklasZimmermann,RalfWunderlich,andStefan Heinen, An Over-Voltage Protection Circuit for CMOSPower Amplifiers J, IEEE, ICECS 2008.
10、pp. 161 - 164 10Ganesh K. Balachandran, Raymond E. Barnett, A High Dynamic Range ASK 个人资料整理仅限学习使用 Demodulator for Passive UHF RFID with Automatic Over-Voltage Protection and Detection Threshold AdjustmentJ,IEEE, CICC 2009. pp. 383 - 386 3. 根据任务书的任务及文献调研结果，初步拟定的执行实施）方案 含具体进度计划）。 1）实验目的 a. 了解 CMOS 一般的
11、制造工艺 b. 掌握 CMOS 的简单原理 c. 了解比较器的构成和原理 d. 学会使用仿真软件 2）毕业设计流程图 3）拟采用的比较器结构实现保护电路 图 7 为可能实现保护电路的比较器结构。M0 和 M1 构成 N 沟道锁存电路， M7 和 M8 构成 P 沟道所存电路， SR 触发器由两个NOR 门电路构成。 CK1 为采样相， CK2 为积分相，比较器工作有两个阶段：预置期和再建期。比较器在采样相将数据 所存并输出结果，在积分相将控制反馈电路中的参考电压。 理解毕业设计和明确实验目的 在理解课题的情况下查阅相关资料 理解毕业设计中比较器的功能 在理解的基础上进行模块搭建并进 行模拟仿真
12、，记录相关的实验数据 记录毕业设计的过程，总结毕业设计的经 个人资料整理仅限学习使用 图 7 拟采用的比较器原理图 毕业设计 论文）进度计划 起讫日期工作内容备注 2月 23日3 月 20日 14 周） 开题报告 接收任务，收集资料，完成硬件 电路设计方案，完成开题报告 3月 23日4 月 10日 57 周） 用 HSpice 软件进行仿真熟练运用仿真软件 4月 13日5 月 22日 813 周） 分析结果，撰写毕业论 文 完成前仿真和毕业论文 5月 25日5 月 28日 14 周上半周） 上交毕业论文完成审查、验收工作 5 月 29 日6月 5日 14周下半周 15 周） 毕业答辩完成毕业答辩工作 6 月 8 日6月 12日 16 周） 所有工作收尾、总结完成收尾、总结工作 学生签名：王浩 2018 年 3 月 21 日 个人资料整理仅限学习使用 指导 教师 批阅 意见 本课题是基于0.5 m CMOS 工艺的过压 -欠压保护电路的设计与分析，主要对 保护电路中关键模块比较器电路进行设计，并且通过HSPICE 软件进行前仿真和分 析，对电路的功能和性能进行详细验证。本课题理论和实践紧密结合，难易程度 适当，切实可行，可以培养学生的独立思考能力和动手能力，符合本科生论文要 求，同意开题。 指导教师签名：年月日