一種高精度高穩(wěn)定電流頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

華東微電子技術(shù)研究所　王海濤　黃　革

一種高精度高穩(wěn)定電流頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

華東微電子技術(shù)研究所王海濤黃革

電流頻率轉(zhuǎn)換電路屬A/D轉(zhuǎn)換的一種，廣泛用于控制系統(tǒng)中，而A/D轉(zhuǎn)換的精度及穩(wěn)定性對系統(tǒng)的控制精度及穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響，本文介紹了一種利用局部恒溫技術(shù)的高精度電流頻率轉(zhuǎn)換電路，有效地保證了電路在全溫范圍內(nèi)有著良好的穩(wěn)定性，從而提高了系統(tǒng)精度及穩(wěn)定性。

A/D轉(zhuǎn)換；精度；穩(wěn)定性；恒溫

1　前言

在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，把加速度計產(chǎn)生的電流信號通過電流頻率轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入系統(tǒng)計算機處理，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)進行有效地精密控制。因此電流頻率轉(zhuǎn)換電路的精度及穩(wěn)定性都會影響系統(tǒng)的控制精密和穩(wěn)定性。

2　電路原理

電流頻率轉(zhuǎn)換器由積分器電路、比較器電路、同步電路、時序分配電路、電子開關(guān)及恒流源電路組成，原理框圖如圖1所示。

圖1　電路原理框圖

電路工作原理：當(dāng)輸入電流Iin（假設(shè)為正電流）對積分器的積分電容進行充電時，使積分電容帶有電荷，同時在積分器中的運放輸出端上產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，并與比較器電路的參考電壓進行比較，其中一個比較器電路會產(chǎn)生脈沖輸出（而另一個比較器電路無輸出），此輸出信號送與同步電路與系統(tǒng)時鐘同步，同步電路中的觸發(fā)器輸出脈沖信號經(jīng)時序分配電路進行整形輸出，得到正向頻率輸出信號F+。同時，時序分配電路產(chǎn)生的脈沖信號通過電子開關(guān)控制恒流源對積分電容進行放電，當(dāng)積分電容上的電荷釋放完后，輸入電流又會對積分電容進行充電，使電路工作進入下一個循環(huán)。 同理當(dāng)輸入電流為負時，由另一部分電路完成上述工作，并輸出負向頻率信號F-。

3　設(shè)計計算

3.1電流積分器的設(shè)計

電流積分器電路的主要組成是運放和積分電容（圖中符號C），如圖2所示。

圖2　電流積分器電路

圖3 正負恒流源電路原理圖

輸出電壓與輸入電流的關(guān)系則為：

經(jīng)過計算與試驗分析，在器件選擇和參數(shù)設(shè)計中：采用高輸入阻抗、高精度低溫漂的運放，可減少漂移和失調(diào)引入的誤差；采用漏電流小、穩(wěn)定性好的電容器對積分器的穩(wěn)定性有幫助。

3.2恒流源電路的設(shè)計

本電路中正負恒流源電路的精度、對稱性和穩(wěn)定性對整個電路的指標(biāo)影響較大，是關(guān)鍵部分電路之一，電路原理如圖3所示。

恒流源電路典型方案主要有單電壓基準(zhǔn)電路和雙基準(zhǔn)電路兩種，相對于雙基準(zhǔn)電路，單電壓基準(zhǔn)電路具有以下優(yōu)點：

（1）單電壓基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計方案比雙基準(zhǔn)的方案有更好的對稱性和溫度一致性；

（2）單電壓基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)有利于溫度補償電路對恒流源的高低溫性能指標(biāo)補償。

恒流源電路參數(shù)設(shè)計主要是電阻的設(shè)計，通過采用精度高、穩(wěn)定性好的薄膜電阻，可以提高恒流源的精度以及保證穩(wěn)定性，并且可對薄膜電阻進行激光微調(diào)，以修正參數(shù)。

3.3局部恒溫設(shè)計技術(shù)

為了提高器件的穩(wěn)定性和精度，電流頻率轉(zhuǎn)換電路采用局部恒溫技術(shù)，將影響指標(biāo)的關(guān)鍵器件放入恒溫槽中，可大大提高產(chǎn)品中與溫度有關(guān)的電性能指標(biāo)，其電路原理框圖見圖4，結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

圖4　恒溫槽電路原理框圖

　圖5 恒溫槽電路的結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理：溫度傳感器采集控溫點溫度輸出電壓值，通過比較器與電路中的基準(zhǔn)比較，如果溫度沒有達到設(shè)定值時，驅(qū)動電路導(dǎo)通，電流流過加熱電阻，恒溫槽加熱；如溫度達到設(shè)定值時，驅(qū)動電路關(guān)斷，恒溫槽停止加熱。待溫度降低到設(shè)定值以下后恒溫槽電路繼續(xù)加熱，如此循環(huán)，達到恒溫。

此種恒溫槽電路的優(yōu)點是：控溫精度較高，一般在-55℃～85℃范圍內(nèi)控溫精度為±3℃。電流頻率轉(zhuǎn)換電路通過這種局部恒溫技術(shù)設(shè)計，只對少數(shù)核心器件進行控溫，可以使產(chǎn)品的溫度系數(shù)指標(biāo)提升近一個數(shù)量級。

3.4輸出零位的補償

在積分電路的設(shè)計中如何平衡正向偏差是解決轉(zhuǎn)換電路精度及對稱性的關(guān)鍵。通過對運放的失調(diào)電流及積分電容的漏電流產(chǎn)生的影響進行實測摸底，積分器產(chǎn)生了正向的零位，給轉(zhuǎn)換電路帶來了正向的偏差。經(jīng)分析，由于運放的漏電流極小，為pA級，可用一個負向電流作用于積分電容上，平衡此正向偏差。具體措施是負電源通過電阻產(chǎn)生一個極小的pA級的負向電流施加在積分電容上，平衡運放的漏電流，對輸出頻率的零位進行補償。

3.5工藝設(shè)計

本產(chǎn)品的工藝實施方案采用厚膜混合集成工藝，祼芯片及片式元器件組裝。因本設(shè)計中采用局部恒溫技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用疊層式結(jié)構(gòu)，須做好工藝流程設(shè)計，確保產(chǎn)品工藝實施的可靠性。

4　試驗驗證

此高精度電流頻率轉(zhuǎn)換電路通過設(shè)計與工藝實施，制作完成后對產(chǎn)品進行實測，性能指標(biāo)見表1，輸出波形見圖6。在零位誤差、零位穩(wěn)定性、非線性度、對稱性及溫漂等特性指標(biāo)上完全達到了設(shè)計目標(biāo)。

表1　性能與指標(biāo)

圖6　測試波形圖

5　結(jié)束語

本文從一種高精度、高穩(wěn)定性的電流頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計分析開始，提出了高精度恒流源電路、局部恒溫、輸出零位的補償?shù)仍O(shè)計思路和方法，并進行了分析和試驗驗證，結(jié)果表明此設(shè)計方法適用有效，對此類電路的設(shè)計有借鑒作用，在特定需求環(huán)境的系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。

王海濤（1979—），男，安徽太和人，大學(xué)本科，華東微電子技術(shù)研究所高級工程師，主要從事電壓基準(zhǔn)源恒流源、高精度轉(zhuǎn)換電路等領(lǐng)域的技術(shù)研究工作。

［1］李文華.適用于電荷測量的電流頻率轉(zhuǎn)路電路的設(shè)計［D］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

［2］王國榮.微弱電流的測量與I/F變換電路的設(shè)計［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2005，25（4）：359-362.