王子訓(xùn)，曹蘊(yùn)清

（揚(yáng)州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225009）

步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)或階躍電機(jī)，是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移(或線位移)的機(jī)電元件，國(guó)外一般稱為Step motor、Pulse motor 或Stepping motor。隨著近代微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是人們對(duì)步進(jìn)電機(jī)的性能有了更高的要求，而步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能與其使用的驅(qū)動(dòng)器有著密切的關(guān)系[1]。

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合使用性能的驅(qū)動(dòng)技術(shù)[2]，是步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)細(xì)分運(yùn)行的關(guān)鍵。而針對(duì)脈沖驅(qū)動(dòng)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中普遍采用的技術(shù)，通過(guò)PWM 控制驅(qū)動(dòng)器的開通和關(guān)斷，使電機(jī)繞組電流按規(guī)律變化，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分驅(qū)動(dòng)[3-5]。本文使用Cadence軟件，基于TSMC 0.18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一款雙極性、固定關(guān)斷時(shí)間（OFF）的定電流PWM細(xì)分電路。在步進(jìn)電機(jī)中應(yīng)用非線性DAC，將各相繞組電流通過(guò)PWM 控制，獲得按規(guī)律改變其幅值的大小和方向的繞組電流，可實(shí)現(xiàn)將步進(jìn)電機(jī)一個(gè)整步均分為若干個(gè)更細(xì)的微步。

通過(guò)Cadence spectre對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了仿真測(cè)試，證明了設(shè)計(jì)方案和理論分析的可行性和正確性。在電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，完成了芯片版圖的繪制，通過(guò)了DRC和LVS驗(yàn)證，并進(jìn)行了QRC參數(shù)提取，驗(yàn)證了版圖的正確性。

1 PWM的電路結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

PWM控制電路由RS觸發(fā)器電路、電壓比較器電路、振蕩器電路和施密特觸發(fā)器電路組成[3]，如圖1所示。PWM是目前步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中普遍采用的技術(shù),具有功耗低、體積小、適合于復(fù)雜的電流波形控制、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 PWM電路結(jié)構(gòu)圖

該電路的原理圖如圖2所示，工作過(guò)程是振蕩器產(chǎn)生激勵(lì)，經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后變?yōu)槊}沖信號(hào)，接入到RS觸發(fā)器的S端，使觸發(fā)器置位。SENSE腳串接一個(gè)電流檢測(cè)電阻到地，電機(jī)繞組的電流通過(guò)電流檢測(cè)電阻RS產(chǎn)生的壓降與H橋向電機(jī)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(dāng)振蕩頻率很高時(shí), 電流波動(dòng)極小。外部的數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)非線性DAC轉(zhuǎn)換成某一滿足特定關(guān)系的模擬電壓信號(hào)，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(fā)器的R端，使得觸發(fā)器輸出PWM信號(hào)，同時(shí)相應(yīng)輸出級(jí)功率開關(guān)管導(dǎo)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(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，使觸發(fā)器復(fù)位，輸出級(jí)功率開關(guān)管關(guān)斷。功率開關(guān)管的關(guān)斷（OFF）時(shí)間是一定的，是振蕩電路使觸發(fā)器置位所用的時(shí)間，通過(guò)控制輸出級(jí)功率開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷，周期循環(huán)，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(fā)器電路

RS觸發(fā)器電路是由CMOS管組成的基本RS觸發(fā)器[6]，RS觸發(fā)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(fā)器電路是由兩個(gè)與非門電路G1和G2構(gòu)成，以低電平作為輸入信號(hào)，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(shù)如表1所示。

表1 RS觸發(fā)器元件參數(shù)

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

表2 RS觸發(fā)器特性表

1.3 電壓比較器電路

本文設(shè)計(jì)的電壓比較器是一個(gè)對(duì)稱電路，比較器的正相輸入端是流過(guò)H橋輸出級(jí)的電流在采樣電阻上的壓降，此壓降正比于負(fù)載電流；反相輸入端是三位非線性DAC的輸出電壓，即負(fù)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(shù)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(bào)告提出了一種動(dòng)態(tài)比較器，功耗較小，并且分辨率高，在一個(gè)CLK周期內(nèi)就能完成復(fù)位和比較兩個(gè)階段，并且利用了正反饋，可以分辨出 μV量級(jí)的電壓差別，對(duì)于本次設(shè)計(jì)的分辨率完全滿足。

表3 電壓比較器元件參數(shù)

其邏輯功能為：當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為0時(shí)，電路處于復(fù)位階段，兩個(gè)輸出均鉗位于高電位；當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為 1時(shí)，第一級(jí)放大器處于放大狀態(tài)，第二級(jí)只要第一級(jí)輸入信號(hào)存在差異，導(dǎo)致輸出差別迅速拉大，從而輸出一個(gè) 1 和一個(gè) 0。CLK時(shí)鐘信號(hào)頻率越高，轉(zhuǎn)換速度越快。

通過(guò)Spectre仿真器模擬可得，本文設(shè)計(jì)的電壓比較器的零漂只有幾個(gè)微伏，同時(shí)能夠鑒別大于 10 μV的輸入電壓差，時(shí)鐘頻率設(shè)置為 100 MHz，并且已經(jīng)驗(yàn)證隨著時(shí)鐘頻率的下降，電壓比較器的精度會(huì)有所上升。

1.4 振蕩器電路

振蕩器電路的功能是產(chǎn)生恒穩(wěn)定的周期性時(shí)變輸出波形，作為信號(hào)處理電路的信息或者定時(shí)信號(hào)。振蕩器電路的輸出作為RS觸發(fā)器電路的S端輸入，振蕩不斷進(jìn)行，電路持續(xù)輸出矩形脈沖信號(hào)。多諧振蕩器電路對(duì)IC設(shè)計(jì)而言有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

（1）不適用電感元件；

（2）易于設(shè)計(jì)和制作，可以預(yù)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(guò)外部元件調(diào)控。

本文在這里使用的是環(huán)形振蕩電路，由三個(gè)反相器和RC延遲電路構(gòu)成[6]。由于門電路的傳輸延遲時(shí)間使得輸出發(fā)生跳變，使用電容加長(zhǎng)延遲時(shí)間，通過(guò)奇數(shù)個(gè)反相器周而復(fù)始，就產(chǎn)生了自己振蕩。當(dāng)VI2處發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，經(jīng)過(guò)電容C使VI3首先跳變到一個(gè)負(fù)電平，然后再?gòu)倪@個(gè)負(fù)電平開始對(duì)電容充電，這就加長(zhǎng)了VI3從開始充電到上升為VTH的時(shí)間，從而加大了VI2到VI3的傳輸延遲時(shí)間，通過(guò)電容的充放電優(yōu)化了電路的振蕩頻率。

通過(guò)計(jì)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(dú)設(shè)置接口，引出電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，方便隨時(shí)控制振蕩器的振蕩頻率。通過(guò)設(shè)置電路R和電容C的值，調(diào)節(jié)振蕩器電路的振蕩頻率，進(jìn)而控制PWM信號(hào)振蕩周期。

1.5 施密特觸發(fā)器電路

施密特觸發(fā)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(gè)特點(diǎn)：

（1）輸入信號(hào)從低電平上升的過(guò)程中電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)從高電平下降過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同；

（2）在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)電路內(nèi)部的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。

利用以上這兩個(gè)特點(diǎn)不僅能將邊沿變化緩慢的信號(hào)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(wú)論輸入信號(hào)的波形如何，該電路均輸出矩形脈沖。

本文設(shè)計(jì)的施密特觸發(fā)器電路是利用反相器和電阻組成[6]，將兩級(jí)反相器串接起來(lái)，同時(shí)經(jīng)過(guò)分壓電阻將輸出端的電壓反饋到輸入端，就形成了一個(gè)具有施密特觸發(fā)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(jìn)入自鎖狀態(tài)，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(fā)電路的輸入，振蕩不斷進(jìn)行，電路輸出呈現(xiàn)固定脈寬的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了施密特觸發(fā)電路功能。本文在這里只使用了VO′作為本文施密特觸發(fā)器電路的輸出，并通過(guò)改變R1和R2的比值來(lái)調(diào)節(jié)回差電壓的大小，控制調(diào)整波形的脈沖寬度。

2 仿真結(jié)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(huán)境下對(duì)電路進(jìn)行仿真[7]。Spectre仿真器可以進(jìn)行模擬以及數(shù)字電路的仿真，具有仿真精度高、速度快，操作環(huán)境簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

PWM電路整體仿真結(jié)果如圖3所示，PWM電路輸出呈現(xiàn)固定脈寬的脈沖信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)雙極性、固定關(guān)斷時(shí)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(guān)管的關(guān)斷時(shí)間是一定的，通過(guò)控制輸出級(jí)功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，周期循環(huán)，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(shè)計(jì)與驗(yàn)證

本文的版圖設(shè)計(jì)采用的工具是Cadence Vituoso Layout Editor，驗(yàn)證工具是Cadence Assura，設(shè)計(jì)出PWM電路版圖，進(jìn)行DRC和LVS驗(yàn)證，并提取QRC參數(shù)[7]。版圖中NMOS、PMOS、電阻和電容共計(jì)37個(gè)元件，整個(gè)版圖在保證電參數(shù)的基礎(chǔ)上，力求布局合理整潔，面積最小。本文根據(jù)以下原則進(jìn)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(yīng)的影響，并有利于提高成品率；

（2）要求對(duì)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(duì)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(diǎn)的分布均勻以適應(yīng)不同的封裝形式。

DRC驗(yàn)證是檢查版圖中各掩膜相關(guān)層上圖形的各種尺寸，保證無(wú)一違反預(yù)訂的設(shè)計(jì)規(guī)則。LVS 驗(yàn)證是從版圖中根據(jù)器件與節(jié)點(diǎn)識(shí)別提取出的電路同原設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行對(duì)比檢查，要求二者在結(jié)構(gòu)上達(dá)到一致。在進(jìn)行LVS驗(yàn)證之后，對(duì)電路進(jìn)行QRC參數(shù)提取。

本文在 PWM 電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了芯片版圖的設(shè)計(jì)與繪制，版圖設(shè)計(jì)如圖4所示。通過(guò)了DRC和LVS驗(yàn)證，并進(jìn)行了QRC參數(shù)提取，結(jié)果如圖5所示，驗(yàn)證了所繪制版圖的正確性。所設(shè)計(jì)的版圖符合原電路設(shè)計(jì)指標(biāo)，且面積最小，成品率較高。

圖4 PWM電路版圖設(shè)計(jì)

圖5 版圖驗(yàn)證

4 結(jié)論

本文使用Cadence軟件，基于TSMC0.18μmCMOS工藝設(shè)計(jì)了一款PWM控制電路。該電路輸出信號(hào)可以控制步進(jìn)電機(jī)輸出級(jí)功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)間為振蕩電路使觸發(fā)器置位所用的時(shí)間，周期循環(huán)，輸出恒定的電流，達(dá)到了細(xì)分驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的目的。用PWM斬波電路實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)繞組電流的恒流控制，是一種實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分驅(qū)動(dòng)較實(shí)用的方案。本文所設(shè)計(jì)的PWM電路在理論分析和模擬仿真結(jié)果下達(dá)到了細(xì)分驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)，但是電路的可靠性與穩(wěn)定性還有待研究，由于本人水平有限，不足之處還請(qǐng)指正。