一種高精度高穩定電流頻率轉換電路的設計

華東微電子技術研究所　王海濤　黃　革

一種高精度高穩定電流頻率轉換電路的設計

華東微電子技術研究所王海濤黃革

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

A/D轉換；精度；穩定性；恒溫

1　前言

在慣性導航系統中，把加速度計產生的電流信號通過電流頻率轉換電路轉換成數字信號送入系統計算機處理，從而實現對系統進行有效地精密控制。因此電流頻率轉換電路的精度及穩定性都會影響系統的控制精密和穩定性。

2　電路原理

電流頻率轉換器由積分器電路、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：當輸入電流Iin（假設為正電流）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生相應的電壓，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時鐘同步，同步電路中的觸發器輸出脈沖信號經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，時序分配電路產生的脈沖信號通過電子開關控制恒流源對積分電容進行放電，當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。 同理當輸入電流為負時，由另一部分電路完成上述工作，并輸出負向頻率信號F-。

3　設計計算

3.1電流積分器的設計

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系則為：

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

3.2恒流源電路的設計

本電路中正負恒流源電路的精度、對稱性和穩定性對整個電路的指標影響較大，是關鍵部分電路之一，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電路和雙基準電路兩種，相對于雙基準電路，單電壓基準電路具有以下優點：

（1）單電壓基準電路結構設計方案比雙基準的方案有更好的對稱性和溫度一致性；

（2）單電壓基準電路結構有利于溫度補償電路對恒流源的高低溫性能指標補償。

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

3.3局部恒溫設計技術

為了提高器件的穩定性和精度，電流頻率轉換電路采用局部恒溫技術，將影響指標的關鍵器件放入恒溫槽中，可大大提高產品中與溫度有關的電性能指標，其電路原理框圖見圖4，結構示意圖見圖5。

圖4　恒溫槽電路原理框圖

　圖5 恒溫槽電路的結構示意圖

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比較，如果溫度沒有達到設定值時，驅動電路導通，電流流過加熱電阻，恒溫槽加熱；如溫度達到設定值時，驅動電路關斷，恒溫槽停止加熱。待溫度降低到設定值以下后恒溫槽電路繼續加熱，如此循環，達到恒溫。

此種恒溫槽電路的優點是：控溫精度較高，一般在-55℃～85℃范圍內控溫精度為±3℃。電流頻率轉換電路通過這種局部恒溫技術設計，只對少數核心器件進行控溫，可以使產品的溫度系數指標提升近一個數量級。

3.4輸出零位的補償

在積分電路的設計中如何平衡正向偏差是解決轉換電路精度及對稱性的關鍵。通過對運放的失調電流及積分電容的漏電流產生的影響進行實測摸底，積分器產生了正向的零位，給轉換電路帶來了正向的偏差。經分析，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工藝設計

本產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。因本設計中采用局部恒溫技術，結構設計采用疊層式結構，須做好工藝流程設計，確保產品工藝實施的可靠性。

4　試驗驗證

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

表1　性能與指標

圖6　測試波形圖

5　結束語

本文從一種高精度、高穩定性的電流頻率轉換電路的設計分析開始，提出了高精度恒流源電路、局部恒溫、輸出零位的補償等設計思路和方法，并進行了分析和試驗驗證，結果表明此設計方法適用有效，對此類電路的設計有借鑒作用，在特定需求環境的系統中有較好的應用前景。

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

［1］李文華.適用于電荷測量的電流頻率轉路電路的設計［D］.中國科學技術大學，2009.

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