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。