1 引言
在工業(yè)生產(chǎn)和控制中往往需要檢測(cè)一些實(shí)際的環(huán)境變量，例如壓力、電場(chǎng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度等，一般使用可控振蕩器外接敏感元件來檢測(cè)環(huán)境變量變化，可控振蕩器的參數(shù)(例如周期或相位)隨敏感元件值的變化而變化。許多集成傳感器也都使用周期可調(diào)的振蕩器，要求振蕩電路的周期隨敏感元件的變化而線性變化，多諧振蕩器的輸出為三角波，容易轉(zhuǎn)化為方波，而且不需要穩(wěn)幅電路，振蕩頻率隨充電電流改變而變化，變化范圍很大，可達(dá)四五個(gè)數(shù)量級(jí)[1-2]，所以多諧振蕩器被廣泛使用，只要在多諧振蕩器前面加上一個(gè)電壓-電流轉(zhuǎn)換器，就 可以構(gòu)成一個(gè)通用的電壓頻率轉(zhuǎn)換器。
本文設(shè)計(jì)的電壓頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)框圖如圖1，包括一個(gè)由放大器組成的電壓電流轉(zhuǎn)換器、帶隙恒流源和多諧振蕩器。其中多諧振蕩器采用射極耦合電路，其振蕩頻率與控制電流成正比，而控制電流由輸入電壓大小決定，參考電壓源為振蕩器提供穩(wěn)定的偏置，驅(qū)動(dòng)級(jí)接受振蕩波形并對(duì)外部模塊提供大的電流輸出。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電壓頻率轉(zhuǎn)換器一般要求具有高的線性度(＜0．1％)、動(dòng)態(tài)范圍(＞10000：1)和低的頻率溫度漂移(＜100ppm/K)，其中最關(guān)鍵的部分 為振蕩器。本文采用文獻(xiàn)[1]提出的集電極鉗位振蕩器思路，如圖2所示，電壓VR為穩(wěn)定的參考電壓源。Q1、Q2、A1、A2組成正反饋環(huán)路，穩(wěn)態(tài)時(shí)Q1、Q2一個(gè)導(dǎo)通，一個(gè)則截止。假定Q1導(dǎo)通，它的發(fā)射極電流為2I，電容C上充電電流方向自左向右，D1導(dǎo)通，Q1的集電極電位被鉗置在(VS-VR-VBE)，VBE為一個(gè)二極管的正向壓降；Q2截止，D4導(dǎo)通，流經(jīng)D4的電流也為I，則Q2的集電極電位被鉗置在(VS-VBE)，兩個(gè)集電極電壓之差為VR，Q2導(dǎo)通時(shí)情況也一樣。這樣振蕩器的電壓擺幅就為VR，不隨溫度、電源電壓的影響。頻率f可表示為
f=I/(4C×VR) (1)
設(shè)置充電電流I=vin/(3×R)，VR=833mV，則頻率為
f=vin/(10×R×C) (2)
以上對(duì)圖2電路的分析都是基于理想情況下的，即假定Q1、Q2、A1、A2所組成正反饋環(huán)路的反轉(zhuǎn)時(shí)間很短，Q1、Q2在過渡狀態(tài)時(shí)集電極電流為O或I。實(shí)際上這種假設(shè)只有在絕對(duì)零度時(shí)成立，在實(shí)際情況下，過渡狀態(tài)附近Q1、Q2的集電
極電流處于O和I之間，這樣就影響了電容充電電流的大小，而且這個(gè)變化與系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度有關(guān)。文獻(xiàn)[1]仔細(xì)分析了過渡狀態(tài)時(shí)充電電流的變化和對(duì)振蕩頻率的影響，認(rèn)為對(duì)于固定的VR，振蕩頻率隨溫度升高而線性升高，頻率溫度系數(shù)約為230ppm／K。因此要想得到一溫漂小于100ppm／K的性能，必須產(chǎn)生一正 溫度系數(shù)的VR來做補(bǔ)償。
3 模塊設(shè)計(jì)
3.1 振蕩器電路設(shè)計(jì)
圖3示出了多諧振蕩器電路圖。鉗位二極管D1-D6被三極管Q12-Q17代替，Vin為輸入電壓，VR為參考電壓源。電路采用自適應(yīng)偏置的技術(shù)，Q3、Q4、Q5集電極電流I隨輸人電壓而改變，Q6面積為Q7的兩倍，使它的集電極電流為21。Q9、QlO的加人使Q3、04、Q5的集電極—發(fā)射極電壓Vce基本相同，增加了電流的匹配。振蕩器電壓擺幅等于Q12、Q16基極電壓之差，與電源電壓的波動(dòng)無關(guān)。
3．2 輸入放大器設(shè)計(jì)
Q1、02采用縱向PNP三極管，這樣可使輸入電壓低至(-VS)：Q9、QlO為Q3、Q4提供基極偏置電流，提高Q3、Q4集電極電流的匹配，Q3、Q4偏置電流應(yīng)具有正的溫度系數(shù)，這樣可減小整個(gè)放大器的失凋電壓；R2、只3為凋零電阻，輸入信號(hào)差分放大后經(jīng)兩個(gè)緩沖器電流放大可直接驅(qū)動(dòng)多諧振蕩器的Q3、Q4、Q5。
3.3 帶隙偏置源的設(shè)計(jì)
帶隙恒壓源采用傳統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)，Q2、Q3、Q5、Q6組成差分放大器，取Q5面積是Q6的8倍，Q5、Q6集電極電流相等，則可得R4兩端電壓(ΔVBE)為
適當(dāng)選擇r值，可使Vbg溫度系數(shù)很小。AMP和Q10組成電壓電流轉(zhuǎn)換器，流經(jīng)R3的電流I1=I2+I3，其中I2為正溫度系數(shù)，因此在月3兩端可產(chǎn)生正溫度系數(shù)的電壓以補(bǔ)償振蕩器固有的負(fù)溫度系數(shù)的頻率漂移。
偏置電壓VR1可送至輸入放大器，因?yàn)镼1的集電極電流I4為正的溫度系數(shù)，恰好滿足輸入放大器偏置的要求。
4 模擬結(jié)果
4.1 對(duì)振蕩器電路做溫度特性分析
參考電壓VR分別取(0．833V+0ppm／℃)(B1、C1)和(0．833V+230ppm／℃)(B2、C2)，輸入電壓取1V和100mV。可以看出，適當(dāng)選取正溫度系數(shù)的參考電壓VR，可使振蕩器在0-70℃的范圍內(nèi)頻率溫度系數(shù)處于100ppm／℃以下。
4.2 對(duì)電壓頻率轉(zhuǎn)換器的線性度和動(dòng)態(tài)范圍的仿真分析
輸入電壓從0．1mV變化到1V，振蕩器頻率線性增加，線性誤差小于0．1％，動(dòng)態(tài)范圍＞80dB。
5 結(jié)論
模擬結(jié)果顯示：設(shè)計(jì)的電壓頻率轉(zhuǎn)換器具有小于0．1％線性度，動(dòng)態(tài)范圍大于80dB，頻率溫度漂移小于100ppm/K，可以用做溫度傳感或電壓測(cè)量等領(lǐng)域。