CMOS數(shù)模混合技術(shù)在防竊電電能計(jì)量芯片中的設(shè)計(jì)探究

武傳洪 張之文 李玉勇

摘 要：本文根據(jù)對(duì)竊電技術(shù)進(jìn)行的一些簡(jiǎn)單分析，指出防竊電電能計(jì)量表應(yīng)具備的基本功能和竊電電能計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過(guò)對(duì)CMOS數(shù)模混合技術(shù)進(jìn)行研究，探討了CMOS數(shù)模混合技術(shù)在防竊電電能計(jì)量芯片中的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：CMOS數(shù)模混合技術(shù)；防竊電；電能計(jì)量表；芯片設(shè)計(jì)；應(yīng)用探究

CMOS集成電路是未來(lái)高速低功耗系統(tǒng)中器件發(fā)展的主要方向，同時(shí)更是實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模集成電路的重要手段。在防竊電電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)工作中科學(xué)地利用該技術(shù)，對(duì)我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展將起到很大的推動(dòng)作用。

1 CMOS數(shù)模混合技術(shù)的內(nèi)涵

1.1 數(shù)模混合技術(shù)

數(shù)模混合技術(shù)就是將模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)混合在一起的技術(shù)，所謂的模擬信號(hào)就是在時(shí)間和數(shù)字上都是用連續(xù)的物理量所表示的信號(hào)。這種信號(hào)集成的電路也叫作模擬電路，其優(yōu)點(diǎn)是直觀(guān)且容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是保密性差、抗干擾能力弱。數(shù)字信號(hào)所傳送信息的數(shù)量是離散的，同時(shí)在時(shí)間上的物理量也是離散的，由這些離散的信號(hào)所集成的電路，就叫作數(shù)字電路。其優(yōu)點(diǎn)是保密性較好、抗干擾能力強(qiáng)，還可以構(gòu)建綜合數(shù)字通信網(wǎng)；缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜、進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)誤差量明顯、所占用的頻帶較寬。

數(shù)模混合技術(shù)中占主導(dǎo)地位的是數(shù)模混合信號(hào)電路的設(shè)計(jì)。數(shù)模混合信號(hào)電路能夠簡(jiǎn)化電路，將模擬電路和數(shù)字電路集中到一個(gè)芯片上。在電路功能越來(lái)越強(qiáng)大、電路系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜的今天，這種技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)和多媒體信息處理過(guò)程控制和實(shí)時(shí)控制等系統(tǒng)中都得到了廣泛的運(yùn)用。

1.2 CMOS數(shù)模混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)技術(shù)

研究CMOS數(shù)模混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)技術(shù)的目的是為了找到一種低功耗、低電壓、高速的數(shù)模混合信號(hào)設(shè)計(jì)方法，使其在高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、鎖相環(huán)設(shè)計(jì)、高速混合信號(hào)電路測(cè)試等各個(gè)方面都能夠發(fā)揮作用。CMOS數(shù)模混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)技術(shù)在寬帶數(shù)據(jù)通信、多媒體移動(dòng)通信、液晶顯示驅(qū)動(dòng)、高清晰度數(shù)字電視、高速數(shù)字示波器、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)等多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛利用。目前主要的研究成果有折疊內(nèi)插（Folding/Interpolating）模數(shù)轉(zhuǎn)換器、流水線(xiàn)（Pipeline）模數(shù)轉(zhuǎn)換器、科技查新和水平檢索。CMOS數(shù)模混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)技術(shù)的研究使我國(guó)在這方面首次突破百兆赫茲模數(shù)轉(zhuǎn)換速度，芯片面積效率和功耗效率指標(biāo)達(dá)到當(dāng)今同類(lèi)技術(shù)國(guó)際先進(jìn)水平，在我國(guó)科技的發(fā)展道路上占據(jù)了一席之地。

2 防竊電電能計(jì)量芯片

2.1 防竊電電子式電能表

在我國(guó)的供用電業(yè)務(wù)擴(kuò)散和普及過(guò)程中，竊電行為屢禁不止，竊電手法層出不窮，竊電技術(shù)的多樣性和隱蔽性也越來(lái)越高。在傳統(tǒng)的電力計(jì)量表上做手腳來(lái)進(jìn)行竊電對(duì)非法分子來(lái)說(shuō)輕而易舉，他們主要通過(guò)更改接線(xiàn)方式、更改電表內(nèi)部線(xiàn)路、調(diào)試電表內(nèi)部數(shù)據(jù)或干擾計(jì)量元件等方式來(lái)達(dá)到竊電目的。因此將傳統(tǒng)電力計(jì)量表更換為智能電子電力計(jì)量表是電力企業(yè)發(fā)展和改革過(guò)程中的一項(xiàng)重要任務(wù)。相較于傳統(tǒng)電力計(jì)量表，智能電表內(nèi)的計(jì)量元件具有很強(qiáng)的抗干擾能力，計(jì)量電流的靈敏度和準(zhǔn)確度更高，外殼結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定且不易被拆除，內(nèi)部提供三相、分相等多種計(jì)量功能。使用智能電力計(jì)量表在一定程度上能夠有效遏制竊電行為的出現(xiàn)。

2.2 防竊電電能計(jì)量芯片

電能計(jì)量芯片是智能電力計(jì)量表的核心部分，在設(shè)計(jì)時(shí)通常要求其具備反向用功、平衡電流、自動(dòng)檢測(cè)零線(xiàn)缺失和防竊電測(cè)量功能。簡(jiǎn)單的電力計(jì)量表僅能測(cè)量火線(xiàn)的電流信號(hào)和電能表進(jìn)線(xiàn)端的電壓信號(hào)，當(dāng)零線(xiàn)反接時(shí)便不具備計(jì)量功能，因此也無(wú)法計(jì)量準(zhǔn)確的用電量。設(shè)計(jì)防竊電電能計(jì)量芯片的目的就是為了精確地計(jì)量用電量，并在竊電情況下依舊能計(jì)量出實(shí)際的用電量。

3 CMOS數(shù)模混合技術(shù)在防竊電電能計(jì)量芯片中的設(shè)計(jì)

在我們常見(jiàn)的電路中，在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)，需要同時(shí)控制電壓和電流兩個(gè)變量，因?yàn)槟M信號(hào)上的電壓和電流是隨時(shí)間連續(xù)變化的，所以更容易受到外界的干擾。在對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力比模擬信號(hào)更強(qiáng)，因此只需要考慮控制會(huì)因時(shí)間變化而變化的電壓。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，常需要考慮的主要因素有干擾源、干擾對(duì)象和主要干擾途徑，模擬信號(hào)電路的特征決定了它的主要設(shè)計(jì)分析對(duì)象為干擾對(duì)象，數(shù)字信號(hào)電路的特征決定其主要分析對(duì)象為干擾源。在基于CMOS數(shù)模混合技術(shù)的防竊電電能計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)中，作為干擾源的數(shù)字電路部分多采用CMOS工藝，相對(duì)于其他邏輯系列，CMOS邏輯電路具有方便設(shè)計(jì)、允許通過(guò)的電壓范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、靜態(tài)狀態(tài)下耗能量低、輸入電阻大、驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

基于CMOS數(shù)模混合技術(shù)的防竊電電能計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)目的，最終是為了能夠提高市場(chǎng)的接納率和使用率，因此決定數(shù)模混合處理芯片采用何種技術(shù)不僅要看其性能，還要考慮其實(shí)用性和成本。相比于雙極、基于化合物半導(dǎo)體的雙極及BiCMOS，標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝技術(shù)的速度不及它們，但在成本、功耗和高集成度的角度上來(lái)說(shuō)，CMOS工藝技術(shù)是具有極大優(yōu)勢(shì)的。在解決CMOS工藝技術(shù)的速度方面，可以通過(guò)不斷解決互連問(wèn)題和進(jìn)一步細(xì)化尺寸來(lái)提高。不斷發(fā)揮CMOS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)其速度上的劣勢(shì)，是需要研究人員不斷思考的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

相信隨著工藝的進(jìn)一步微細(xì)化，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)在高速數(shù)模混合電路方面將有很大作為，在電力企業(yè)的防竊電工作中也會(huì)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]王祥莉.基于CMOS數(shù)模混合技術(shù)的防竊電電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)，2008.

[2]趙巖.電能計(jì)量的低功耗集成電路實(shí)現(xiàn)及采樣方法研究[D].浙江大學(xué)，2014.

（作者單位：國(guó)網(wǎng)山東省電力公司巨野縣供電公司）