調(diào)制解調(diào)變換放大器的研制

田健++羅志勇

摘要：本文介紹了一種調(diào)制解調(diào)變換放大器的原理分析與設(shè)計以及電路工藝制作。

關(guān)鍵詞：三角波振蕩；電容檢測；積分放大；前置放大；原理分析；工藝設(shè)計

1.引言

該調(diào)制解調(diào)變換放大器為單片模擬集成電路，它設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)新穎，工藝合理，能同時完成三角波振蕩、電容檢測、積分放大、前置放大等功能。該器件在自動控制中廣泛應(yīng)用，外配“差動電容傳感器”可用作加速度計，以及油位、水位等自動控制。由于該電路實現(xiàn)了集成化，因此具有體積小、重量輕、可靠性高、使用方便等特點。其應(yīng)用框圖如圖1所示。

2.電路原理分析

調(diào)制解調(diào)變換放大器原理圖如圖2所示。

2.1三角波振蕩器的工作原理分析

三角波振蕩器由晶體管T11～T23、T41～T42、電阻R13～R29、二極管D9～D10、齊納二極管Z1～Z3組成，詳見圖2。其16端外接充放電電容C10，此電容的另一端接地。1端外接電阻R1A，電阻R1A的另一端接地。3、4端外接電阻R2A，外接電阻R2A為三角波振蕩器的主偏置電路的外接電阻，詳見圖3。

圖3 調(diào)制解調(diào)變換放大器外圍電路

當(dāng)電源電壓接通時，三角波振蕩器電路開始工作。由于外接充放電電容C10上的電壓不能突變，所以電容C10上的低電壓由T12的EB結(jié)、電阻R13～R15到T42的基極，使T42的基極電位低于T41的基極電位，T41導(dǎo)通，T42截止。由于T41集電極為低電位，橫向PNP管T19導(dǎo)通，此時NPN管T35基極為高電位而導(dǎo)通，這時T35的集電極為低電位，T17截止，其發(fā)射極為低電位，NPN晶體管T15、T16、T18截止。

這時由橫向PNP管T22、T23、電阻R29、外接電阻R2A、電阻R21、NPN晶體管T35組成的三角波振蕩器的主偏置電路導(dǎo)通，為橫向PNP管T13、電阻R16和橫向PNP管T14、電阻R18組成兩個電流相等的小電流恒流源。一個恒流源為16端外接充放電電容C10開始充電，另一恒流源流過1端外接電阻R1A到地，電阻R1A上電并通過電阻R22、R23為T41的基極提供偏置。當(dāng)電容C10上的電壓充到一定高度時，C10上的電壓通過T12的BE結(jié)、電阻R13～R15到T42的基極，使T42的基極電位高于T41基極時，T42導(dǎo)通，T41截止。由于此時T41集電極為高電位，橫向PNP管T19截止，其集電極為低電位，NPN管T35基極為低電位而截止，所以其集電極變?yōu)楦唠娢?，T17導(dǎo)通，其發(fā)射極變?yōu)楦唠娢?，NPN管T15、T16、T18由截止變?yōu)閷?dǎo)通，16端外接充放電電容C10開始放電。這時是由橫向PNP管T22、T23、電阻R29、外接電阻R2A、電阻R21、NPN晶體管T17、T18、電阻R20組成的三角波振蕩器的主偏置電路導(dǎo)通。

當(dāng)電容C10上的電壓放到一定低時，C10上的低電壓通過T12的BE結(jié)、電阻R13～R15到T42的基極，使T42的基極電位低于T41基極電位時，T42截止，T41導(dǎo)通，橫向PNP管T19導(dǎo)通，此時NPN管T35基極為高電位而導(dǎo)通，因其集電極為低電位，T17截止，其發(fā)射極為低電位，NPN管T15、T16、T18又截止，16端外接充放電電容C10又開始通過橫向PNP管T13、電阻R16組成的恒流源進(jìn)行充電。如此周而復(fù)始，在16端外接充放電電容C10上就產(chǎn)生一個三角波電壓V01，見圖3所示。

這里的齊納二極管Z1～Z3是為防止NPN晶體管T41、T42、T35進(jìn)入飽合狀態(tài)，從而影響三角波振蕩器的頻率特性。

在電路設(shè)計上，使IC13=IC14=0.5mA，IC15=IC16=1mA。這樣，電容C10的充電電流IC10充=IC13=0.5mA。在電容放電時，電容C10的放電電流IC10放=IC15-IC13=1/2IC15=0.5mA。這樣，電容C10的充、放電電流相等，在電容C10上產(chǎn)生的三角波波形為等腰三角形的兩個邊，其波形最理想。

2.2差動電容檢測器的工作原理分析

差動電容檢測器由晶體管T1～T10、電阻R1～R12、二極管D1～D4組成。其13、14端外接電容C2、C1等效為“外接差動電容傳感器”中的兩個可變電容。

從圖2中可以看出，由于電阻R3=R6，晶體管T4、T5、電阻R3、R6、二極管D3組成電流鏡，IC4=IC5。由于電阻R1=R2=R7=R11，這樣，橫向PNP晶體管T1～T3和電阻R1、R2、橫向PNP晶體管T8～T10和電阻R7、R11分別組成兩個相同的電流鏡，IC3=IC2=IC8=IC10。當(dāng)13、14端外接電容C2、C1接受的外加加速度為零時，“差動電容傳感器”中的兩個可動極板在原始位置，它們分別與“差動電容傳感器”中的固定極板的距離相等，電容C1=C2。這時，當(dāng)三角波振蕩器產(chǎn)生的三角波經(jīng)晶體管T12、T11射極跟隨器輸出后，再經(jīng)二極管D4檢波后的正半周電壓波形，加到晶體管T6、T7的基極，使晶體管T6、T7導(dǎo)通，分別對電容C1、C2充電。這里的二極管D1、D2的作用是對D4檢波后的正半周電壓波形進(jìn)行限幅，以保護(hù)晶體管T6、T7的EB結(jié)免受高電壓損傷。由于IC2=IC6=IC8=IC7，所以電容C1、C2上的充電電壓相等。又由于T4的集極電流等于T3的集極電流，IC4=IC3，IC5=IC10，又因為IC4=IC5，所以IC5=IC10，故在電阻R12上并無電流流過，其電阻R12后邊的積分器無信號電流輸入。

當(dāng)13、14端外接“差動電容傳感器”中的電容C2、C1接受的外加加速度不為零時，差動電容傳感器受加速度的影響，其電容C2、C1的兩個可動極板發(fā)生同相位移，使電容值C1不等于C2。如這時電容C1減小，電容C2增大，C1IC5，在電阻R12上就有了一個信號電流IC10-IC5流過。此電流即為差動電容檢測器的輸出電流信號，此輸出電流信號經(jīng)電阻R12被送到積分器的輸入端NPN晶體管T26的基極進(jìn)行積分。

綜上所述，由于放大器外接“差動電容傳感器”在沒有接受到外來的加速度信號時，外接“差動電容傳感器”的兩個可動極板在原點的位置，其兩個電容的電容值相等。而當(dāng)其接受到外來的加速度信號時，兩個可動極板從原點的位置開始發(fā)生同相位移，其位移量的大小與接受到外來的加速度信號量的大小成正比。由此產(chǎn)生“差動電容傳感器”內(nèi)的兩個可變電容的差值，這個電容差值被調(diào)制解調(diào)變換放大器的差動電容檢測器解調(diào)為信號電流的差值IC10-IC5，在解調(diào)的過程中用到三角波振蕩器產(chǎn)生的三角波V01。差動電容檢測器解調(diào)出的信號電流差值IC10-IC5，又由積分器把這個信號電流差值轉(zhuǎn)換為信號電壓V02，信號電壓V02由前置放大器進(jìn)行電壓放大成輸出電壓V03A和輸出電壓V03B。輸出電壓V03A和輸出電壓V03B輸入到其后邊加的功率放大器伺服機(jī)構(gòu)的輸入級兩輸入端，進(jìn)行功率放大，其輸出大電流IO接的負(fù)載即是“外接差動電容傳感器的力距線圈”。這個“力距線圈”受輸出大電流IO的作用，把”外接差動電容傳感器”中的兩個可動極板由發(fā)生位移的位置拉回到原點。這個把“力距線圈”拉回到原點的輸出大電流值IO就直接反應(yīng)的是”外接差動電容傳感器”接受到那個加速度信號的量值。所以用數(shù)模轉(zhuǎn)換器就可把這個輸出大電流值IO轉(zhuǎn)換為那個加速度信號的數(shù)值。

3.工藝設(shè)計

3.1提高差動電容檢測器的靈敏度

當(dāng)T15、T16的恒流源電流偏大時，16端外接充放電電容C10的放電電流偏大，放電時間過快，導(dǎo)致充放電時間不一致，影響差動電容檢測器的靈敏度。這時，可以在版圖設(shè)計中適當(dāng)調(diào)整電阻R20的電阻值，使T15、T16的IC15=IC16減小到正好等于1mA，解決上述問題。同時也可以提高T13、T14的電流使電路頻率增大來改善差動電容檢測器的靈敏度，但是要考慮電流增大導(dǎo)致電路噪聲增大的影響。

3.2提高前置放大器的輸出電壓能力

前置放大器的輸出級的電路設(shè)計中把電阻R38的阻值適當(dāng)減小了一點，以適當(dāng)加大輸出級NPN晶體管T32的靜態(tài)工作電流，以適當(dāng)提高它的輸出能力。在工藝中適當(dāng)提高NPN晶體管和橫向PNP晶體管的?值，也可以提高前置放大器的輸出電壓能力。

3.3提高積分器的積分精度

對積分器用運算放大器的版圖進(jìn)行設(shè)計分析改進(jìn)，并對工藝設(shè)計和施實進(jìn)行測試分析和改進(jìn)，以提高輸入級NPN晶體管的小電流下的放大倍數(shù)，從而提高輸入級的輸入阻抗，減小放大器的輸入失調(diào)電壓，提高積分器的積分精度。

4.版圖及工藝方向

4.1版圖設(shè)計

在版圖設(shè)計中，均勻合理的安排元件布局，優(yōu)化熱分布設(shè)計，減少寄生效應(yīng)；在條件允許下，可以引入ESD保護(hù)，提高電路可靠性。

4.2工藝設(shè)計

電路采用標(biāo)準(zhǔn)的雙極工藝，電路BVCEO≥30V，NPN晶體管?值≥200，橫向PNP晶體管?值≥50。

5.結(jié)束語

該調(diào)制解調(diào)變換放大器在±9V電壓測試，恒流電流為0.4mA，三角波頻率為500kHz，失調(diào)電壓1mV，輸出電壓范圍±7.6V，靜態(tài)電流9mA，滿足設(shè)計要求。該電路已實現(xiàn)批生產(chǎn)，用作加速度計，以及油位、水位等自動控制領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]華中理工大學(xué)電子學(xué)教研室編，康華光主編、陳大欽副主編 《電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）》（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1999ISBN 7-04-007241-6

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