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摘要：本文介绍了一种调制解调变换放大器的原理分析与设计以及电路工艺制作。
关键词：三角波振荡；电容检测；积分放大；前置放大；原理分析；工艺设计
1.引言
该调制解调变换放大器为单片模拟集成电路，它设计巧妙，结构新颖，工艺合理，能同时完成三角波振荡、电容检测、积分放大、前置放大等功能。该器件在自动控制中广泛应用，外配“差动电容传感器”可用作加速度计，以及油位、水位等自动控制。由于该电路实现了集成化，因此具有体积小、重量轻、可靠性高、使用方便等特点。其应用框图如图1所示。
2.电路原理分析
调制解调变换放大器原理图如图2所示。
2.1三角波振荡器的工作原理分析
三角波振荡器由晶体管T11～T23、T41～T42、电阻R13～R29、二极管D9～D10、齐纳二极管Z1～Z3组成，详见图2。其16端外接充放电电容C10，此电容的另一端接地。1端外接电阻R1A，电阻R1A的另一端接地。3、4端外接电阻R2A，外接电阻R2A为三角波振荡器的主偏置电路的外接电阻，详见图3。
图3 调制解调变换放大器外围电路
当电源电压接通时，三角波振荡器电路开始工作。由于外接充放电电容C10上的电压不能突变，所以电容C10上的低电压由T12的EB结、电阻R13～R15到T42的基极，使T42的基极电位低于T41的基极电位，T41导通，T42截止。由于T41集电极为低电位，横向PNP管T19导通，此时NPN管T35基极为高电位而导通，这时T35的集电极为低电位，T17截止，其发射极为低电位，NPN晶体管T15、T16、T18截止。
这时由横向PNP管T22、T23、电阻R29、外接电阻R2A、电阻R21、NPN晶体管T35组成的三角波振荡器的主偏置电路导通，为横向PNP管T13、电阻R16和横向PNP管T14、电阻R18组成两个电流相等的小电流恒流源。一个恒流源为16端外接充放电电容C10开始充电，另一恒流源流过1端外接电阻R1A到地，电阻R1A上电并通过电阻R22、R23为T41的基极提供偏置。当电容C10上的电压充到一定高度时，C10上的电压通过T12的BE结、电阻R13～R15到T42的基极，使T42的基极电位高于T41基极时，T42导通，T41截止。由于此时T41集电极为高电位，横向PNP管T19截止，其集电极为低电位，NPN管T35基极为低电位而截止，所以其集电极变为高电位，T17导通，其发射极变为高电位，NPN管T15、T16、T18由截止变为导通，16端外接充放电电容C10开始放电。这时是由横向PNP管T22、T23、电阻R29、外接电阻R2A、电阻R21、NPN晶体管T17、T18、电阻R20组成的三角波振荡器的主偏置电路导通。
当电容C10上的电压放到一定低时，C10上的低电压通过T12的BE结、电阻R13～R15到T42的基极，使T42的基极电位低于T41基极电位时，T42截止，T41导通，横向PNP管T19导通，此时NPN管T35基极为高电位而导通，因其集电极为低电位，T17截止，其发射极为低电位，NPN管T15、T16、T18又截止，16端外接充放电电容C10又开始通过横向PNP管T13、电阻R16组成的恒流源进行充电。如此周而复始，在16端外接充放电电容C10上就产生一个三角波电压V01，见图3所示。
这里的齐纳二极管Z1～Z3是为防止NPN晶体管T41、T42、T35进入饱合状态，从而影响三角波振荡器的频率特性。
在电路设计上，使IC13=IC14=0.5mA，IC15=IC16=1mA。这样，电容C10的充电电流IC10充=IC13=0.5mA。在電容放电时，电容C10的放电电流IC10放=IC15-IC13=1/2IC15=0.5mA。这样，电容C10的充、放电电流相等，在电容C10上产生的三角波波形为等腰三角形的两个边，其波形最理想。
2.2差动电容检测器的工作原理分析
差动电容检测器由晶体管T1～T10、电阻R1～R12、二极管D1～D4组成。其13、14端外接电容C2、C1等效为“外接差动电容传感器”中的两个可变电容。
从图2中可以看出，由于电阻R3=R6，晶体管T4、T5、电阻R3、R6、二极管D3组成电流镜，IC4=IC5。由于电阻R1=R2=R7=R11，这样，横向PNP晶体管T1～T3和电阻R1、R2、横向PNP晶体管T8～T10和电阻R7、R11分别组成两个相同的电流镜，IC3=IC2=IC8=IC10。当13、14端外接电容C2、C1接受的外加加速度为零时，“差动电容传感器”中的两个可动极板在原始位置，它们分别与“差动电容传感器”中的固定极板的距离相等，电容C1=C2。这时，当三角波振荡器产生的三角波经晶体管T12、T11射极跟随器输出后，再经二极管D4检波后的正半周电压波形，加到晶体管T6、T7的基极，使晶体管T6、T7导通，分别对电容C1、C2充电。这里的二极管D1、D2的作用是对D4检波后的正半周电压波形进行限幅，以保护晶体管T6、T7的EB结免受高电压损伤。由于IC2=IC6=IC8=IC7，所以电容C1、C2上的充电电压相等。又由于T4的集极电流等于T3的集极电流，IC4=IC3，IC5=IC10，又因为IC4=IC5，所以IC5=IC10，故在电阻R12上并无电流流过，其电阻R12后边的积分器无信号电流输入。
当13、14端外接“差动电容传感器”中的电容C2、C1接受的外加加速度不为零时，差动电容传感器受加速度的影响，其电容C2、C1的两个可动极板发生同相位移，使电容值C1不等于C2。如这时电容C1减小，电容C2增大，C1IC5，在电阻R12上就有了一个信号电流IC10-IC5流过。此电流即为差动电容检测器的输出电流信号，此输出电流信号经电阻R12被送到积分器的输入端NPN晶体管T26的基极进行积分。
综上所述，由于放大器外接“差动电容传感器”在没有接受到外来的加速度信号时，外接“差动电容传感器”的两个可动极板在原点的位置，其两个电容的电容值相等。而当其接受到外来的加速度信号时，两个可动极板从原点的位置开始发生同相位移，其位移量的大小与接受到外来的加速度信号量的大小成正比。由此产生“差动电容传感器”内的两个可变电容的差值，这个电容差值被调制解调变换放大器的差动电容检测器解调为信号电流的差值IC10-IC5，在解调的过程中用到三角波振荡器产生的三角波V01。差动电容检测器解调出的信号电流差值IC10-IC5，又由积分器把这个信号电流差值转换为信号电压V02，信号电压V02由前置放大器进行电压放大成输出电压V03A和输出电压V03B。输出电压V03A和输出电压V03B输入到其后边加的功率放大器伺服机构的输入级两输入端，进行功率放大，其输出大电流IO接的负载即是“外接差動电容传感器的力距线圈”。这个“力距线圈”受输出大电流IO的作用，把”外接差动电容传感器”中的两个可动极板由发生位移的位置拉回到原点。这个把“力距线圈”拉回到原点的输出大电流值IO就直接反应的是”外接差动电容传感器”接受到那个加速度信号的量值。所以用数模转换器就可把这个输出大电流值IO转换为那个加速度信号的数值。
3.工艺设计
3.1提高差动电容检测器的灵敏度
当T15、T16的恒流源电流偏大时，16端外接充放电电容C10的放电电流偏大，放电时间过快，导致充放电时间不一致，影响差动电容检测器的灵敏度。这时，可以在版图设计中适当调整电阻R20的电阻值，使T15、T16的IC15=IC16减小到正好等于1mA，解决上述问题。同时也可以提高T13、T14的电流使电路频率增大来改善差动电容检测器的灵敏度，但是要考虑电流增大导致电路噪声增大的影响。
3.2提高前置放大器的输出电压能力
前置放大器的输出级的电路设计中把电阻R38的阻值适当减小了一点，以适当加大输出级NPN晶体管T32的静态工作电流，以适当提高它的输出能力。在工艺中适当提高NPN晶体管和横向PNP晶体管的?值，也可以提高前置放大器的输出电压能力。
3.3提高积分器的积分精度
对积分器用运算放大器的版图进行设计分析改进，并对工艺设计和施实进行测试分析和改进，以提高输入级NPN晶体管的小电流下的放大倍数，从而提高输入级的输入阻抗，减小放大器的输入失调电压，提高积分器的积分精度。
4.版图及工艺方向
4.1版图设计
在版图设计中，均匀合理的安排元件布局，优化热分布设计，减少寄生效应；在条件允许下，可以引入ESD保护，提高电路可靠性。
4.2工艺设计
电路采用标准的双极工艺，电路BVCEO≥30V，NPN晶体管?值≥200，横向PNP晶体管?值≥50。
5.结束语
该调制解调变换放大器在±9V电压测试，恒流电流为0.4mA，三角波频率为500kHz，失调电压1mV，输出电压范围±7.6V，静态电流9mA，满足设计要求。该电路已实现批生产，用作加速度计，以及油位、水位等自动控制领域。
参考文献：
[1]华中理工大学电子学教研室编，康华光主编、陈大钦副主编 《电子技术基础（模拟部分）》（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1999ISBN 7-04-007241-6
[2]《电子工业生产技术手册》编委会，孙俊人等《电子工业技术手册》（半导体与集成电路 卷硅器件与集成电路）[M].北京：国防工业出版社，1988 ISBN 7-118-00701-3/YN.123
关键词：三角波振荡；电容检测；积分放大；前置放大；原理分析；工艺设计
1.引言
该调制解调变换放大器为单片模拟集成电路，它设计巧妙，结构新颖，工艺合理，能同时完成三角波振荡、电容检测、积分放大、前置放大等功能。该器件在自动控制中广泛应用，外配“差动电容传感器”可用作加速度计，以及油位、水位等自动控制。由于该电路实现了集成化，因此具有体积小、重量轻、可靠性高、使用方便等特点。其应用框图如图1所示。
2.电路原理分析
调制解调变换放大器原理图如图2所示。
2.1三角波振荡器的工作原理分析
三角波振荡器由晶体管T11～T23、T41～T42、电阻R13～R29、二极管D9～D10、齐纳二极管Z1～Z3组成，详见图2。其16端外接充放电电容C10，此电容的另一端接地。1端外接电阻R1A，电阻R1A的另一端接地。3、4端外接电阻R2A，外接电阻R2A为三角波振荡器的主偏置电路的外接电阻，详见图3。
图3 调制解调变换放大器外围电路
当电源电压接通时，三角波振荡器电路开始工作。由于外接充放电电容C10上的电压不能突变，所以电容C10上的低电压由T12的EB结、电阻R13～R15到T42的基极，使T42的基极电位低于T41的基极电位，T41导通，T42截止。由于T41集电极为低电位，横向PNP管T19导通，此时NPN管T35基极为高电位而导通，这时T35的集电极为低电位，T17截止，其发射极为低电位，NPN晶体管T15、T16、T18截止。
这时由横向PNP管T22、T23、电阻R29、外接电阻R2A、电阻R21、NPN晶体管T35组成的三角波振荡器的主偏置电路导通，为横向PNP管T13、电阻R16和横向PNP管T14、电阻R18组成两个电流相等的小电流恒流源。一个恒流源为16端外接充放电电容C10开始充电，另一恒流源流过1端外接电阻R1A到地，电阻R1A上电并通过电阻R22、R23为T41的基极提供偏置。当电容C10上的电压充到一定高度时，C10上的电压通过T12的BE结、电阻R13～R15到T42的基极，使T42的基极电位高于T41基极时，T42导通，T41截止。由于此时T41集电极为高电位，横向PNP管T19截止，其集电极为低电位，NPN管T35基极为低电位而截止，所以其集电极变为高电位，T17导通，其发射极变为高电位，NPN管T15、T16、T18由截止变为导通，16端外接充放电电容C10开始放电。这时是由横向PNP管T22、T23、电阻R29、外接电阻R2A、电阻R21、NPN晶体管T17、T18、电阻R20组成的三角波振荡器的主偏置电路导通。
当电容C10上的电压放到一定低时，C10上的低电压通过T12的BE结、电阻R13～R15到T42的基极，使T42的基极电位低于T41基极电位时，T42截止，T41导通，横向PNP管T19导通，此时NPN管T35基极为高电位而导通，因其集电极为低电位，T17截止，其发射极为低电位，NPN管T15、T16、T18又截止，16端外接充放电电容C10又开始通过横向PNP管T13、电阻R16组成的恒流源进行充电。如此周而复始，在16端外接充放电电容C10上就产生一个三角波电压V01，见图3所示。
这里的齐纳二极管Z1～Z3是为防止NPN晶体管T41、T42、T35进入饱合状态，从而影响三角波振荡器的频率特性。
在电路设计上，使IC13=IC14=0.5mA，IC15=IC16=1mA。这样，电容C10的充电电流IC10充=IC13=0.5mA。在電容放电时，电容C10的放电电流IC10放=IC15-IC13=1/2IC15=0.5mA。这样，电容C10的充、放电电流相等，在电容C10上产生的三角波波形为等腰三角形的两个边，其波形最理想。
2.2差动电容检测器的工作原理分析
差动电容检测器由晶体管T1～T10、电阻R1～R12、二极管D1～D4组成。其13、14端外接电容C2、C1等效为“外接差动电容传感器”中的两个可变电容。
从图2中可以看出，由于电阻R3=R6，晶体管T4、T5、电阻R3、R6、二极管D3组成电流镜，IC4=IC5。由于电阻R1=R2=R7=R11，这样，横向PNP晶体管T1～T3和电阻R1、R2、横向PNP晶体管T8～T10和电阻R7、R11分别组成两个相同的电流镜，IC3=IC2=IC8=IC10。当13、14端外接电容C2、C1接受的外加加速度为零时，“差动电容传感器”中的两个可动极板在原始位置，它们分别与“差动电容传感器”中的固定极板的距离相等，电容C1=C2。这时，当三角波振荡器产生的三角波经晶体管T12、T11射极跟随器输出后，再经二极管D4检波后的正半周电压波形，加到晶体管T6、T7的基极，使晶体管T6、T7导通，分别对电容C1、C2充电。这里的二极管D1、D2的作用是对D4检波后的正半周电压波形进行限幅，以保护晶体管T6、T7的EB结免受高电压损伤。由于IC2=IC6=IC8=IC7，所以电容C1、C2上的充电电压相等。又由于T4的集极电流等于T3的集极电流，IC4=IC3，IC5=IC10，又因为IC4=IC5，所以IC5=IC10，故在电阻R12上并无电流流过，其电阻R12后边的积分器无信号电流输入。
当13、14端外接“差动电容传感器”中的电容C2、C1接受的外加加速度不为零时，差动电容传感器受加速度的影响，其电容C2、C1的两个可动极板发生同相位移，使电容值C1不等于C2。如这时电容C1减小，电容C2增大，C1
3.工艺设计
3.1提高差动电容检测器的灵敏度
当T15、T16的恒流源电流偏大时，16端外接充放电电容C10的放电电流偏大，放电时间过快，导致充放电时间不一致，影响差动电容检测器的灵敏度。这时，可以在版图设计中适当调整电阻R20的电阻值，使T15、T16的IC15=IC16减小到正好等于1mA，解决上述问题。同时也可以提高T13、T14的电流使电路频率增大来改善差动电容检测器的灵敏度，但是要考虑电流增大导致电路噪声增大的影响。
3.2提高前置放大器的输出电压能力
前置放大器的输出级的电路设计中把电阻R38的阻值适当减小了一点，以适当加大输出级NPN晶体管T32的静态工作电流，以适当提高它的输出能力。在工艺中适当提高NPN晶体管和横向PNP晶体管的?值，也可以提高前置放大器的输出电压能力。
3.3提高积分器的积分精度
对积分器用运算放大器的版图进行设计分析改进，并对工艺设计和施实进行测试分析和改进，以提高输入级NPN晶体管的小电流下的放大倍数，从而提高输入级的输入阻抗，减小放大器的输入失调电压，提高积分器的积分精度。
4.版图及工艺方向
4.1版图设计
在版图设计中，均匀合理的安排元件布局，优化热分布设计，减少寄生效应；在条件允许下，可以引入ESD保护，提高电路可靠性。
4.2工艺设计
电路采用标准的双极工艺，电路BVCEO≥30V，NPN晶体管?值≥200，横向PNP晶体管?值≥50。
5.结束语
该调制解调变换放大器在±9V电压测试，恒流电流为0.4mA，三角波频率为500kHz，失调电压1mV，输出电压范围±7.6V，静态电流9mA，满足设计要求。该电路已实现批生产，用作加速度计，以及油位、水位等自动控制领域。
参考文献：
[1]华中理工大学电子学教研室编，康华光主编、陈大钦副主编 《电子技术基础（模拟部分）》（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1999ISBN 7-04-007241-6
[2]《电子工业生产技术手册》编委会，孙俊人等《电子工业技术手册》（半导体与集成电路 卷硅器件与集成电路）[M].北京：国防工业出版社，1988 ISBN 7-118-00701-3/YN.123