透射电子显微镜高精密可调基准源的设计

董全林，吴国增，王鹏飞，陈鹤，孟庆浪

（北京航天航空大学仪器科学与光电工程学院，微纳测控与低微物理教育部重点实验室，北京，100191）

0 引言

在很多数字逻辑电路、混合信号和模拟电路中都采用电压基准源，因此了解基准源的工作原理和选择方法，对系统的合理设计是一个较为重要的因素[1、2]。基准源本质就是高精密电源，通常采用耦合电感的方式来提高辅助回路的输出稳压精度[3、4]。该方法仅在一定程度上提高了辅助绕组的稳压精度，但仍无法实现精确稳压。目前实现多路稳压的方式主要有4大类，辅助绕组采用线性稳压方式、采用开关电源二次稳压方式、采用同步开关或磁放大器的后置调节方式。在高精度集成电路系统中，低温度系数、低工作电压基准源的设计十分重要，基准电压的温度特性直接影响电路精度和性能[5、6、7、8、9、10]。高精密稳压电源在很多应用于各种直流基准，基准源的稳定性对整个电子系统影响非常重要。为了更好的满足各种不同的电子系统，可以设计出可调高精密直流电源[11、12]。

1 基准源在透射电子显微镜中的应用

在透射电子显微镜中需要高稳定度的可调恒流源，使电磁透镜产生稳定可调的磁场，从而让电子束更好聚焦从而减小象差。恒流源的基准源如图1所示。

高压电源的稳定性对电子显微镜分辨率产生影响，特别是当电源不稳定产生色差。在透射电子显微镜中影响高压电源的稳定性影响很多，在电路结构中可以用表达式来表示高压电源稳定性相关因素。

高稳定度高压电源，基准电源、基准电阻和取样电阻的稳定性是影响高压电源输出稳定度的直接因素，其中基准电压源的稳定度设计至少优于高压电源一个数量级。高压系统如图2所示。

图1 线圈电源基准源

2 电路原理设计

本电路设计采用集成稳压芯片LM317作为稳压芯片，LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2V到37v时能够提供超过1.5A的电流，此稳压器非常易于使用。LM317的输入采用AD587输出，采用可变电阻可以调整LM317输出的大小，从而得到高精密的可调基准源，AD587代表了先进单芯片基准电压源领域取得的重大进步。它采用专有离子植入嵌入式齐纳二极管，并对高度稳定的薄膜电阻进行激光晶圆调整，从而能够以较低的成本提供出色的性能。AD587的性能明显高于大多数其它10 V基准电压源。它采用工业标准引脚排列，因此许多系统都可以利用AD587迅速完成升级。基准电压源设计采用嵌入式齐纳方法，使噪声和漂移均低于带隙基准电压源。该器件还提供降噪引脚，可进一步降低嵌入式齐纳二极管产生的噪声电平，电路如图3所示。

图2 高压系统图

图3 基准源仿真电路

3 电路测试

电路焊接电路如图4所示。

图4 焊接电路

测试平台由多功能直流电源提供15V工作电压，安捷伦万用表3458A对电压数据进行采集，通过计算机进行记录各个时间点的电压数值。测试平台如图5所示。

图5 测试平台

通过安捷伦万用表3458A来测试电源稳定度。在电源输出为9V时，通过测试采样得到一分钟的波形图，如图6所示。

图6 9V测试纹波

通过公式2，计算出9V输出时在一分钟之内的稳定度为3.96801321×10-5/min，电源稳定度是电源的峰峰值比上电源输出平均值。

通过安捷伦万用表3458A来测试电源稳定度。在电源输出为4V时，通过测试采样得到一分钟的波形图，如图7所示。通过公式3，计算出4V输出时在一分钟之内的稳定度为3.96801321×10-5/min。

图7 4V测试纹波

4 总结

本论文设计一款新颖高稳定的直流电源，稳定调节电压在0V—9V 范围内。稳定度高达 3.96801321×10-5/min。此电源的设计方法，在很多应用精密电源的情况下可以采用。