一种高精度高稳定电流频率转换电路的设计

2016-09-27华东微电子技术研究所王海涛

电子世界 2016年16期

华东微电子技术研究所　王海涛　黄　革

一种高精度高稳定电流频率转换电路的设计

华东微电子技术研究所王海涛黄革

电流频率转换电路属A/D转换的一种，广泛用于控制系统中，而A/D转换的精度及稳定性对系统的控制精度及稳定性有着至关重要的影响，本文介绍了一种利用局部恒温技术的高精度电流频率转换电路，有效地保证了电路在全温范围内有着良好的稳定性，从而提高了系统精度及稳定性。

A/D转换；精度；稳定性；恒温

1　前言

在惯性导航系统中，把加速度计产生的电流信号通过电流频率转换电路转换成数字信号送入系统计算机处理，从而实现对系统进行有效地精密控制。因此电流频率转换电路的精度及稳定性都会影响系统的控制精密和稳定性。

2　电路原理

电流频率转换器由积分器电路、比较器电路、同步电路、时序分配电路、电子开关及恒流源电路组成，原理框图如图1所示。

图1　电路原理框图

电路工作原理：当输入电流Iin（假设为正电流）对积分器的积分电容进行充电时，使积分电容带有电荷，同时在积分器中的运放输出端上产生相应的电压，并与比较器电路的参考电压进行比较，其中一个比较器电路会产生脉冲输出（而另一个比较器电路无输出），此输出信号送与同步电路与系统时钟同步，同步电路中的触发器输出脉冲信号经时序分配电路进行整形输出，得到正向频率输出信号F+。同时，时序分配电路产生的脉冲信号通过电子开关控制恒流源对积分电容进行放电，当积分电容上的电荷释放完后，输入电流又会对积分电容进行充电，使电路工作进入下一个循环。同理当输入电流为负时，由另一部分电路完成上述工作，并输出负向频率信号F-。

3　设计计算

3.1电流积分器的设计

电流积分器电路的主要组成是运放和积分电容（图中符号C），如图2所示。

图2　电流积分器电路

图3 正负恒流源电路原理图

输出电压与输入电流的关系则为：

经过计算与试验分析，在器件选择和参数设计中：采用高输入阻抗、高精度低温漂的运放，可减少漂移和失调引入的误差；采用漏电流小、稳定性好的电容器对积分器的稳定性有帮助。

3.2恒流源电路的设计

本电路中正负恒流源电路的精度、对称性和稳定性对整个电路的指标影响较大，是关键部分电路之一，电路原理如图3所示。

恒流源电路典型方案主要有单电压基准电路和双基准电路两种，相对于双基准电路，单电压基准电路具有以下优点：

（1）单电压基准电路结构设计方案比双基准的方案有更好的对称性和温度一致性；

（2）单电压基准电路结构有利于温度补偿电路对恒流源的高低温性能指标补偿。

恒流源电路参数设计主要是电阻的设计，通过采用精度高、稳定性好的薄膜电阻，可以提高恒流源的精度以及保证稳定性，并且可对薄膜电阻进行激光微调，以修正参数。

3.3局部恒温设计技术

为了提高器件的稳定性和精度，电流频率转换电路采用局部恒温技术，将影响指标的关键器件放入恒温槽中，可大大提高产品中与温度有关的电性能指标，其电路原理框图见图4，结构示意图见图5。

图4　恒温槽电路原理框图

　图5 恒温槽电路的结构示意图

工作原理：温度传感器采集控温点温度输出电压值，通过比较器与电路中的基准比较，如果温度没有达到设定值时，驱动电路导通，电流流过加热电阻，恒温槽加热；如温度达到设定值时，驱动电路关断，恒温槽停止加热。待温度降低到设定值以下后恒温槽电路继续加热，如此循环，达到恒温。

此种恒温槽电路的优点是：控温精度较高，一般在-55℃～85℃范围内控温精度为±3℃。电流频率转换电路通过这种局部恒温技术设计，只对少数核心器件进行控温，可以使产品的温度系数指标提升近一个数量级。

3.4输出零位的补偿

在积分电路的设计中如何平衡正向偏差是解决转换电路精度及对称性的关键。通过对运放的失调电流及积分电容的漏电流产生的影响进行实测摸底，积分器产生了正向的零位，给转换电路带来了正向的偏差。经分析，由于运放的漏电流极小，为pA级，可用一个负向电流作用于积分电容上，平衡此正向偏差。具体措施是负电源通过电阻产生一个极小的pA级的负向电流施加在积分电容上，平衡运放的漏电流，对输出频率的零位进行补偿。

3.5工艺设计

本产品的工艺实施方案采用厚膜混合集成工艺，祼芯片及片式元器件组装。因本设计中采用局部恒温技术，结构设计采用叠层式结构，须做好工艺流程设计，确保产品工艺实施的可靠性。