超供电电压的电路设计 - (EPUB全文下载)

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书名：超供电电压的电路设计
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超供电电压的电路设计
一、序言
二、状况分析
2.1 功能分析
2.2 过压分析
超供电电压的电路设计
三、解决方案-逻辑信号转换
四、解决方案-保护
五、解决方案-模拟信号采集
5.1 超过供电电压（VCC）或者地电压（GND）的范围<0.2V 5.2 超过供电电压（VCC）范围小于一个供电电压 5.3 低于地电压范围小于一个供电电压 5.4 正向高压 5.5 正负向高压 六、硅工艺分析 七、总结 超供电电压的电路设计 一、序言 电路设计中最常见的限制条件就是供电电压范围。绝大多数电路都都工作在电源电压（VCC）和地电压（GND）之间。但也有很多时候，部分电路要处理超过电源电压或者低于地电压的信号。为了应对这些情况，有时候只需要简单的电路优化即可处理，也有些时候需要特殊的电路结构，并且需要结合可使用的工艺条件进行分析。 本文将分析和介绍各种不同情况下可以使用的电路结构，并对它们的性能做一个简单比较。 二、状况分析 2.1 功能分析 首先，应对超过供电范围的情况，我们可能要处理以下几种情况。 逻辑电平转换。 这种情况我们要将逻辑电平在不同的电压下进行转换，比如将1.8V的逻辑信号转换到5V的逻辑信号。功能上我们只在乎高低两种状态而不在乎具体信号。这是接口电路常常面对的问题。 模拟信号采集。 这时我们需要对超过供电电压的模拟信号进行处理。不管是传输还是放大，我们都需要保证模拟信号本身被准确的采集，而不产生很大的失真。 保护。 这种情况是指信号超过供电范围的时候我们只要求保护内部电路，而不对信号的正确性做任何要求。这时我们关心的往往是器件耐压，漏电流等信息。 2.2 过压分析 接下来，我们分析一下常见的几种超过VCC或者低于GND的状况。根据电压的不同的情况，可以将情况分为以下几种。 A. 超过供电电压（VCC）或者地电压（GND）的范围<0.2V 这种情况可以表示为：0 V(VCC)
这种情况表示输入电压远远高于供电电压。比如一个5V的电路中，会需要处理65V的输入信号。这种情况常见于高端检测，电路中往往需要采用高压器件。某些特定情况也可能使用浮空某些结来保证正常工作。
E. 正负向高压
这种情况可以表示为：V(VCC) - V(IN) > V(VCC) 并且 V(GND) - V(IN) > V(VCC)
这种情况既要处理正向高电压，要处理反向低电压，而且往往又要处理正向输入在反向的保护，以及反向输入在正向高电压的保护，因此往往比较复杂。
超供电电压的电路设计
三、解决方案-逻辑信号转换
值得在这里一提的是，主流的逻辑电平有这样几种标准。
TTL电平，3V。
CMOS电平，5V。
RS232电平，+/-15V。
比较常见的设计输入门限电平的电路如下：
通过调整NMOS和PMOS的门限电压以及反馈强度可以调整输入的翻转电平。对于比较特殊的电平情况，需要使用比较器作为输入门限判断。
而应对电压不一致的状况，比较简单的可以使用下图中的电平移位电路：
只要不超过器件耐压，一般都可以使用这种电平移位电路。
如果电压差异比较高/低，则需要采用电流控制的方式。
使用上下电流源比较的方式传递逻辑信号。图中带虚框的器件应该为高压器件，用于保护电路。可能需要额外的钳位电路进行保护。
另一种可行的逻辑电平传递的方式是采用电容耦合的方式。
四、解决方案-保护
当我们没有输入信号的检测要求，而只是需要对电路进行保护的时候，常常使用电阻和钳位二极管。电阻用于限制电流。二极管用于钳住电压。二极管也可以是MOS管，Bipolar管等器件的各种连接方式。
在用户接口处，往往会采用电磁隔离，这既是一种隔离措施，也可以认为是对接触式电路和功率级电路的保护措施。常见的方式有变压器隔离，光耦合隔离，电磁耦合隔离。这些隔离技术都可以在常见的资料上查到。
单纯的保护功能对电路结构的变化并不大，更多的是结合具体情况选择所需要的限流大小、面积等因素，这里不做更多讨论。
五、解决方案-模拟信号采集
当需要完整采集模拟信号的时候，电路的设计是最复杂的。我们根据上面分析过的几种情况讨论常见的解决方法。
5.1 超过供电电压（VCC）或者地电压（GND）的范围<0.2V 对于这种情况，由于超出供电电压较小，电压往高端一般不会超过器件的耐压范围，电压往低端也不会发生结导通而漏电的状况。为了处理这类输 ............ 书籍插图：

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