調制解調變換放大器的研制

田健++羅志勇

摘要：本文介紹了一種調制解調變換放大器的原理分析與設計以及電路工藝制作。

關鍵詞：三角波振蕩；電容檢測；積分放大；前置放大；原理分析；工藝設計

1.引言

該調制解調變換放大器為單片模擬集成電路，它設計巧妙，結構新穎，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。其應用框圖如圖1所示。

2.電路原理分析

調制解調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 調制解調變換放大器外圍電路

當電源電壓接通時，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、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導通，T42截止。由于T41集電極為低電位，橫向PNP管T19導通，此時NPN管T35基極為高電位而導通，這時T35的集電極為低電位，T17截止，其發射極為低電位，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、電阻R13～R15到T42的基極，使T42的基極電位高于T41基極時，T42導通，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，所以其集電極變為高電位，T17導通，其發射極變為高電位，NPN管T15、T16、T18由截止變為導通，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通。

當電容C10上的電壓放到一定低時，C10上的低電壓通過T12的BE結、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導通，橫向PNP管T19導通，此時NPN管T35基極為高電位而導通，因其集電極為低電位，T17截止，其發射極為低電位，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組成的恒流源進行充電。如此周而復始，在16端外接充放電電容C10上就產生一個三角波電壓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進入飽合狀態，從而影響三角波振蕩器的頻率特性。

在電路設計上，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，當三角波振蕩器產生的三角波經晶體管T12、T11射極跟隨器輸出后，再經二極管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行限幅，以保護晶體管T6、T7的EB結免受高電壓損傷。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，此輸出電流信號經電阻R12被送到積分器的輸入端NPN晶體管T26的基極進行積分。

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。由此產生“差動電容傳感器”內的兩個可變電容的差值，這個電容差值被調制解調變換放大器的差動電容檢測器解調為信號電流的差值IC10-IC5，在解調的過程中用到三角波振蕩器產生的三角波V01。差動電容檢測器解調出的信號電流差值IC10-IC5，又由積分器把這個信號電流差值轉換為信號電壓V02，信號電壓V02由前置放大器進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構的輸入級兩輸入端，進行功率放大，其輸出大電流IO接的負載即是“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。所以用數模轉換器就可把這個輸出大電流值IO轉換為那個加速度信號的數值。

3.工藝設計

3.1提高差動電容檢測器的靈敏度

當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，可以在版圖設計中適當調整電阻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計中把電阻R38的阻值適當減小了一點，以適當加大輸出級NPN晶體管T32的靜態工作電流，以適當提高它的輸出能力。在工藝中適當提高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行設計分析改進，并對工藝設計和施實進行測試分析和改進，以提高輸入級NPN晶體管的小電流下的放大倍數，從而提高輸入級的輸入阻抗，減小放大器的輸入失調電壓，提高積分器的積分精度。

4.版圖及工藝方向

4.1版圖設計

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

4.2工藝設計

電路采用標準的雙極工藝，電路BVCEO≥30V，NPN晶體管?值≥200，橫向PNP晶體管?值≥50。

5.結束語

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

參考文獻：

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

[2]《電子工業生產技術手冊》編委會，孫俊人等《電子工業技術手冊》（半導體與集成電路 卷硅器件與集成電路）[M].北京：國防工業出版社，1988 ISBN 7-118-00701-3/YN.123