基于TSMC0…18μmCMOS工藝的PWM電路設計

王子訓，曹蘊清

（揚州大學 物理科學與技術學院，江蘇揚州，225009）

步進電機又稱脈沖電機或階躍電機，是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移(或線位移)的機電元件，國外一般稱為Step motor、Pulse motor 或Stepping motor。隨著近代微電子技術和計算機技術的迅猛發展，步進電機經過幾十年的發展，其應用越來越廣泛，但是人們對步進電機的性能有了更高的要求，而步進電機的運行性能與其使用的驅動器有著密切的關系[1]。

步進電機細分驅動技術是近幾年來發展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動技術[2]，是步進電機實現細分運行的關鍵。而針對脈沖驅動的脈沖寬度調制（PWM）驅動是步進電機細分驅動電路中普遍采用的技術，通過PWM 控制驅動器的開通和關斷，使電機繞組電流按規律變化，從而實現步進電機的恒轉矩細分驅動[3-5]。本文使用Cadence軟件，基于TSMC 0.18μm CMOS工藝設計了一款雙極性、固定關斷時間（OFF）的定電流PWM細分電路。在步進電機中應用非線性DAC，將各相繞組電流通過PWM 控制，獲得按規律改變其幅值的大小和方向的繞組電流，可實現將步進電機一個整步均分為若干個更細的微步。

通過Cadence spectre對所設計的電路進行了仿真測試，證明了設計方案和理論分析的可行性和正確性。在電路設計的基礎上，完成了芯片版圖的繪制，通過了DRC和LVS驗證，并進行了QRC參數提取，驗證了版圖的正確性。

1 PWM的電路結構

1.1 整體結構

PWM控制電路由RS觸發器電路、電壓比較器電路、振蕩器電路和施密特觸發器電路組成[3]，如圖1所示。PWM是目前步進電機細分驅動電路中普遍采用的技術,具有功耗低、體積小、適合于復雜的電流波形控制、動態性能好等優點。

圖1 PWM電路結構圖

該電路的原理圖如圖2所示，工作過程是振蕩器產生激勵，經施密特觸發器整形后變為脈沖信號，接入到RS觸發器的S端，使觸發器置位。SENSE腳串接一個電流檢測電阻到地，電機繞組的電流通過電流檢測電阻RS產生的壓降與H橋向電機繞組供電的輸出電流IS一起輸入到電壓比較器的正相輸入端，當振蕩頻率很高時, 電流波動極小。外部的數字控制信號經非線性DAC轉換成某一滿足特定關系的模擬電壓信號，輸入到電壓比較器的反相輸入端。電壓比較器的輸出接入到RS觸發器的R端，使得觸發器輸出PWM信號，同時相應輸出級功率開關管導通；之后繞組電流一直上升,一旦采樣電阻RS上的電壓上升到DAC輸出電壓VDAC時，比較器翻轉，使觸發器復位，輸出級功率開關管關斷。功率開關管的關斷（OFF）時間是一定的，是振蕩電路使觸發器置位所用的時間，通過控制輸出級功率開關管導通與關斷，周期循環，從而使輸出維持恒定的電流。

圖2 PWM電路原理圖

1.2 RS觸發器電路

RS觸發器電路是由CMOS管組成的基本RS觸發器[6]，RS觸發器電路的R端接電壓比較器電路的輸出端，S端接振蕩器電路的輸出端。本文采用的RS觸發器電路是由兩個與非門電路G1和G2構成，以低電平作為輸入信號，R和S分別表示置0輸入端和置1輸入端，電路使用的元件參數如表1所示。

表1 RS觸發器元件參數

該電路的工作原理是：當S=0、R=1時，Q=1，觸發器處于“1”狀態；當S=1、R=0時，Q=0，觸發器處于“0”狀態；當S=1、R=1時，觸發器維持原來的狀態不變；當S=0、R=0時，觸發器的狀態不定，作為約束條件不允許輸入此信號，電路的特性表如表2所示。

表2 RS觸發器特性表

1.3 電壓比較器電路

本文設計的電壓比較器是一個對稱電路，比較器的正相輸入端是流過H橋輸出級的電流在采樣電阻上的壓降，此壓降正比于負載電流；反相輸入端是三位非線性DAC的輸出電壓，即負載電流隨著非線性DAC的輸出變化而變化，該電路使用的元件參數如表3所示。電壓比較器模塊的好壞直接決定了控制電路精度的高低，此次報告提出了一種動態比較器，功耗較小，并且分辨率高，在一個CLK周期內就能完成復位和比較兩個階段，并且利用了正反饋，可以分辨出 μV量級的電壓差別，對于本次設計的分辨率完全滿足。

表3 電壓比較器元件參數

其邏輯功能為：當時鐘信號為0時，電路處于復位階段，兩個輸出均鉗位于高電位；當時鐘信號為 1時，第一級放大器處于放大狀態，第二級只要第一級輸入信號存在差異，導致輸出差別迅速拉大，從而輸出一個 1 和一個 0。CLK時鐘信號頻率越高，轉換速度越快。

通過Spectre仿真器模擬可得，本文設計的電壓比較器的零漂只有幾個微伏，同時能夠鑒別大于 10 μV的輸入電壓差，時鐘頻率設置為 100 MHz，并且已經驗證隨著時鐘頻率的下降，電壓比較器的精度會有所上升。

1.4 振蕩器電路

振蕩器電路的功能是產生恒穩定的周期性時變輸出波形，作為信號處理電路的信息或者定時信號。振蕩器電路的輸出作為RS觸發器電路的S端輸入，振蕩不斷進行，電路持續輸出矩形脈沖信號。多諧振蕩器電路對IC設計而言有一些獨特的優點：

（1）不適用電感元件；

（2）易于設計和制作，可以預知輸出波形；

（3）電路的頻率反比與外部電容值，可以很方便地通過外部元件調控。

本文在這里使用的是環形振蕩電路，由三個反相器和RC延遲電路構成[6]。由于門電路的傳輸延遲時間使得輸出發生跳變，使用電容加長延遲時間，通過奇數個反相器周而復始，就產生了自己振蕩。當VI2處發生負跳變時，經過電容C使VI3首先跳變到一個負電平，然后再從這個負電平開始對電容充電，這就加長了VI3從開始充電到上升為VTH的時間，從而加大了VI2到VI3的傳輸延遲時間，通過電容的充放電優化了電路的振蕩頻率。

通過計算，本文得出了電路的振蕩周期近似等于：

在該電路中，本文將電容C和電阻R單獨設置接口，引出電機驅動電路，方便隨時控制振蕩器的振蕩頻率。通過設置電路R和電容C的值，調節振蕩器電路的振蕩頻率，進而控制PWM信號振蕩周期。

1.5 施密特觸發器電路

施密特觸發器電路是一種正反饋電路，是脈沖波形變換中常用到的一種電路，又稱為鑒幅器。它在性能上具有以下兩個特點：

（1）輸入信號從低電平上升的過程中電路狀態轉換時對應的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應的輸入轉換電平不同；

（2）在電路狀態轉換時，通過電路內部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。

利用以上這兩個特點不僅能將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪音有效地清楚。此外，無論輸入信號的波形如何，該電路均輸出矩形脈沖。

本文設計的施密特觸發器電路是利用反相器和電阻組成[6]，將兩級反相器串接起來，同時經過分壓電阻將輸出端的電壓反饋到輸入端，就形成了一個具有施密特觸發特性的電路。反相器G1和G2都是CMOS電路，VTH= 0.5VDD，且滿足條件R1＜R2；若R1＞R2，電路將進入自鎖狀態，不能正常工作。

電路的回差電壓為：

振蕩器電路的輸出作為施密特觸發電路的輸入，振蕩不斷進行，電路輸出呈現固定脈寬的脈沖信號，實現了施密特觸發電路功能。本文在這里只使用了VO′作為本文施密特觸發器電路的輸出，并通過改變R1和R2的比值來調節回差電壓的大小，控制調整波形的脈沖寬度。

2 仿真結果與分析

本文仿真工具是由Cadence提供的Spectre仿真器，在Analog Environment仿真環境下對電路進行仿真[7]。Spectre仿真器可以進行模擬以及數字電路的仿真，具有仿真精度高、速度快，操作環境簡便等特點。

PWM電路整體仿真結果如圖3所示，PWM電路輸出呈現固定脈寬的脈沖信號，可實現雙極性、固定關斷時間的定電流控制，輸出頻率為f=25097 kHz，周期為T=39.85 ns。從而使得功率開關管的關斷時間是一定的，通過控制輸出級功率開關管的導通與關斷，周期循環，從而使輸出維持恒定的電流。

圖3 PWM電路仿真波形

3 版圖設計與驗證

本文的版圖設計采用的工具是Cadence Vituoso Layout Editor，驗證工具是Cadence Assura，設計出PWM電路版圖，進行DRC和LVS驗證，并提取QRC參數[7]。版圖中NMOS、PMOS、電阻和電容共計37個元件，整個版圖在保證電參數的基礎上，力求布局合理整潔，面積最小。本文根據以下原則進行了版圖的布線與布局：

（1）力求元件排列緊湊，以減小寄生效應的影響，并有利于提高成品率；

（2）要求對稱的管子，除了保證圖形十分一致外，位置也盡量靠近，以減小由于材料、工藝及溫度不均勻造成的不利影響，而要求對稱的電阻，注意平行排列，以減小光刻、制版工藝引入的誤差；

（3）壓焊點的分布均勻以適應不同的封裝形式。

DRC驗證是檢查版圖中各掩膜相關層上圖形的各種尺寸，保證無一違反預訂的設計規則。LVS 驗證是從版圖中根據器件與節點識別提取出的電路同原設計的電路進行對比檢查，要求二者在結構上達到一致。在進行LVS驗證之后，對電路進行QRC參數提取。

本文在 PWM 電路設計的基礎上，進行了芯片版圖的設計與繪制，版圖設計如圖4所示。通過了DRC和LVS驗證，并進行了QRC參數提取，結果如圖5所示，驗證了所繪制版圖的正確性。所設計的版圖符合原電路設計指標，且面積最小，成品率較高。

圖4 PWM電路版圖設計

圖5 版圖驗證

4 結論

本文使用Cadence軟件，基于TSMC0.18μmCMOS工藝設計了一款PWM控制電路。該電路輸出信號可以控制步進電機輸出級功率開關管的導通與關斷，關斷時間為振蕩電路使觸發器置位所用的時間，周期循環，輸出恒定的電流，達到了細分驅動步進電機的目的。用PWM斬波電路實現步進電機繞組電流的恒流控制，是一種實現步進電機恒轉矩細分驅動較實用的方案。本文所設計的PWM電路在理論分析和模擬仿真結果下達到了細分驅動的目標，但是電路的可靠性與穩定性還有待研究，由于本人水平有限，不足之處還請指正。