透射電子顯微鏡高精密可調(diào)基準源的設計

董全林，吳國增，王鵬飛，陳鶴，孟慶浪

（北京航天航空大學儀器科學與光電工程學院，微納測控與低微物理教育部重點實驗室，北京，100191）

0 引言

在很多數(shù)字邏輯電路、混合信號和模擬電路中都采用電壓基準源，因此了解基準源的工作原理和選擇方法，對系統(tǒng)的合理設計是一個較為重要的因素[1、2]?；鶞试幢举|(zhì)就是高精密電源，通常采用耦合電感的方式來提高輔助回路的輸出穩(wěn)壓精度[3、4]。該方法僅在一定程度上提高了輔助繞組的穩(wěn)壓精度，但仍無法實現(xiàn)精確穩(wěn)壓。目前實現(xiàn)多路穩(wěn)壓的方式主要有4大類，輔助繞組采用線性穩(wěn)壓方式、采用開關(guān)電源二次穩(wěn)壓方式、采用同步開關(guān)或磁放大器的后置調(diào)節(jié)方式。在高精度集成電路系統(tǒng)中，低溫度系數(shù)、低工作電壓基準源的設計十分重要，基準電壓的溫度特性直接影響電路精度和性能[5、6、7、8、9、10]。高精密穩(wěn)壓電源在很多應用于各種直流基準，基準源的穩(wěn)定性對整個電子系統(tǒng)影響非常重要。為了更好的滿足各種不同的電子系統(tǒng)，可以設計出可調(diào)高精密直流電源[11、12]。

1 基準源在透射電子顯微鏡中的應用

在透射電子顯微鏡中需要高穩(wěn)定度的可調(diào)恒流源，使電磁透鏡產(chǎn)生穩(wěn)定可調(diào)的磁場，從而讓電子束更好聚焦從而減小象差。恒流源的基準源如圖1所示。

高壓電源的穩(wěn)定性對電子顯微鏡分辨率產(chǎn)生影響，特別是當電源不穩(wěn)定產(chǎn)生色差。在透射電子顯微鏡中影響高壓電源的穩(wěn)定性影響很多，在電路結(jié)構(gòu)中可以用表達式來表示高壓電源穩(wěn)定性相關(guān)因素。

高穩(wěn)定度高壓電源，基準電源、基準電阻和取樣電阻的穩(wěn)定性是影響高壓電源輸出穩(wěn)定度的直接因素，其中基準電壓源的穩(wěn)定度設計至少優(yōu)于高壓電源一個數(shù)量級。高壓系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 線圈電源基準源

2 電路原理設計

本電路設計采用集成穩(wěn)壓芯片LM317作為穩(wěn)壓芯片，LM317是應用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點。此外，還具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點。LM317是可調(diào)節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍1.2V到37v時能夠提供超過1.5A的電流，此穩(wěn)壓器非常易于使用。LM317的輸入采用AD587輸出，采用可變電阻可以調(diào)整LM317輸出的大小，從而得到高精密的可調(diào)基準源，AD587代表了先進單芯片基準電壓源領域取得的重大進步。它采用專有離子植入嵌入式齊納二極管，并對高度穩(wěn)定的薄膜電阻進行激光晶圓調(diào)整，從而能夠以較低的成本提供出色的性能。AD587的性能明顯高于大多數(shù)其它10 V基準電壓源。它采用工業(yè)標準引腳排列，因此許多系統(tǒng)都可以利用AD587迅速完成升級。基準電壓源設計采用嵌入式齊納方法，使噪聲和漂移均低于帶隙基準電壓源。該器件還提供降噪引腳，可進一步降低嵌入式齊納二極管產(chǎn)生的噪聲電平，電路如圖3所示。

圖2 高壓系統(tǒng)圖

圖3 基準源仿真電路

3 電路測試

電路焊接電路如圖4所示。

圖4 焊接電路

測試平臺由多功能直流電源提供15V工作電壓，安捷倫萬用表3458A對電壓數(shù)據(jù)進行采集，通過計算機進行記錄各個時間點的電壓數(shù)值。測試平臺如圖5所示。

圖5 測試平臺

通過安捷倫萬用表3458A來測試電源穩(wěn)定度。在電源輸出為9V時，通過測試采樣得到一分鐘的波形圖，如圖6所示。

圖6 9V測試紋波

通過公式2，計算出9V輸出時在一分鐘之內(nèi)的穩(wěn)定度為3.96801321×10-5/min，電源穩(wěn)定度是電源的峰峰值比上電源輸出平均值。

通過安捷倫萬用表3458A來測試電源穩(wěn)定度。在電源輸出為4V時，通過測試采樣得到一分鐘的波形圖，如圖7所示。通過公式3，計算出4V輸出時在一分鐘之內(nèi)的穩(wěn)定度為3.96801321×10-5/min。

圖7 4V測試紋波

4 總結(jié)

本論文設計一款新穎高穩(wěn)定的直流電源，穩(wěn)定調(diào)節(jié)電壓在0V—9V 范圍內(nèi)。穩(wěn)定度高達 3.96801321×10-5/min。此電源的設計方法，在很多應用精密電源的情況下可以采用。