基于多谐振荡的电压频率转换系统

基于多谐振荡的电压频率转换系统

1电压/频率转换传输系统随着通信技术的发展，人们通常不需要失去远程通信的模拟信号。解决这个问题最好的方法就是利用电压/频率转换器,以频率的形式传输模拟信号。通过光电隔离电路、双绞线或者同轴电缆等,在远距离传输线路上传输频率信号而不受干扰相当容易。电压/频率转换器由于具有结构简单、功耗低等特点而得到了广泛的应用。2电压频率器的原理和分析2.1模拟输出放大器的结构电压频率转换器要实现的功能就是将输入的电压控制转换成频率信号输出,从而完成模数转换,电压与频率之间为线性关系。转换器包括一个输入增益器、一个精密振荡器系统和一个高电流输出级。其结构如图1所示。模拟输出放大器是一个典型的二级运算放大电路,它的作用是将输入的电压信号,通过电阻Rt缩放成一个驱动电流,完成电压到电流的转换。然后,利用非稳态多谐振荡器,将前一级的驱动电流转换成频率。输出接口为一个NPN管集电极开路输出。2.2机构高压电路2—多谐振荡器的工作原理现有的电流控制振荡器(CCO)大致分为两种。一种是基于施密特触发器原理的电流控制振荡器,另一种就是本文将要讨论的基于射极耦合多谐振荡器原理的电流控制振荡器。该振荡器的最高频率可达到1MHz,温度漂移指数约为200ppm/°C。射极耦合的多谐振荡器是一种典型的恒流充放电振荡器,由于其固有的对称性输出波形而被应用于许多集成电路设计中。射极耦合的电流控制多谐振荡器原理图如图2所示。NPN管Q1和Q2构成增益级,晶体管Q3、Q7和Q4、Q8分别作为Q1、Q2的交叉耦合射极跟随,构成振荡器的输出缓冲级。电阻R、Q5、Q6分别作为Q1、Q2的集电极负载。Q1和Q2的发射极负载为大小为i的恒流源,定时电容CT连接在Q1和Q2的发射极之间,形成一个单电容的振荡器电路。Q1和Q2的交叉耦合使得Q1和Q2以交替导通的方式工作。电路通过Q1或Q2的发射极向定时电容CT充入数量相等、方向相反的电流,在振荡器运行半周期的时候进行交替。图3为电路仿真的结果。在图3所示的一个周期T内,开始是晶体管Q2的基极电压Vo2=VCC-2VBE,发射极电压Vct2=VCC-3VBE,Q2的基极电压与发射极电压差VBE>0,Q2导通。而对于晶体管Q1来说,其基极电压Vo1=VCC-3VBE;而发射极电压Vct1=VCC-3VBE,Q1的发射极正偏,Q1截止。在这种情况下,由Q2导通过2i的电流,电路通过Q2的发射极向电容CT充电,充电电流为i。这使电容Ct1端的电压以i/CT的斜率下降到VCC-4VBE。这样,Q1的发射极反偏,在这一点上,Q1开启。而与此同时,通过Q5的电流使得Q2的基极电压下降一个VBE,导致Q2关闭。当Q2关闭的时候,在晶体管Q6两端的电压就会消失,Q1的基极电压增加一个VBE,电路的情况发生转变,定时电容CT向相反的方向充电,充电电流同样为i。这样,一直到Q2的发射极电压下降到比基极低一个VBE的时候,Q2再次开启,回到先前的工作状态。电路就是这样周而复始地工作。如图3所示,当晶体管关闭的时候,晶体管的射极电压以i/CT的斜率成直线下降,其振荡最大电压为2VBE,每半个周期的时间等于通过CT下滑2VBE的时间,所以,ΔT=2VBECT/i(1)振荡所用的总时间T0为2ΔT,频率可以表示为:f=12T0=i/2VBECT(2)f=12Τ0=i/2VBECΤ(2)因此,频率与电流成正比,与定时电容CT成反比。由此可以看出,射极耦合的多谐振荡器由电流提供频率的线性控制,具有对称性设计,当电路相匹配的时候,可输出对称波形,且波形比较平缓。振荡器的输出结果接到集电极开路输出级,最后输出Fout的波形峰值可以达到VCC(见图3)。2.3温度仿真系统的设计由(2)式可以看出,在振荡器电路中,由于频率与晶体管的电压VBE成反比,同时,VBE随着温度的改变,以2mV/°C的速度下降。这样,就导致温度对频率的影响很大,这也是这种振荡器电路的严重缺点。温度对频率的影响一般用温度漂移来衡量,温度漂移的计算公式为:1fdfdt=1VBEdVBEdT=+3300ppm/°C(3)1fdfdt=1VBEdVBEdΤ=+3300ppm/°C(3)对于一般应用电路来说,这样的温度漂移太大了。在压频转换器的设计中,采用整体电路温度补偿的方式,让模拟放大器和振荡器的温度特性互相补偿,平衡整个电路的温度特性。由于振荡器的输出频率f=12T0=i/2VBECTf=12Τ0=i/2VBECΤ,当电流i一定的时候,输出频率的温度特性由VBE决定。因为VBE的温度系数为负,所以,输出频率的温度系数为正(见图4)。要平衡整个电路的温度特性,驱动电流i的温度系数必须为负。根据仿真的结果,模拟输出放大级输出电压随着温度的升高而降低(见图5),而这个电压也就是振荡器的控制电压,与驱动电流i成正比。所以,电流i随着温度的升高而降低,这样就有效地稳定了输出频率的温度特性。整个电路的温度特性仿真结果如图6所示。从图中可以看出,在-10°C～90°C之间,模拟放大器输入电压为500mV、Rt=10kΩ、CT=20pF的情况下,频率的最大变化不超过4.6kHz,温度漂移不超过50ppm/°C。因此,这种电路结构可以提供很好的温度稳定性。整个电路是由电压提供频率的线性控制,电路要达到比较好的线性度,就需要稳定电压。在设计的时候,把振荡器的主体电路设计成完全对称的形式,使得电路匹配,输出波形平缓。同时,在振荡器与模拟输入放大级之间,通过Rt形成反馈回路(如图1所示),这样可以保证驱动电流的变化与输入电压之间相互补偿,接近理想的效果。在27°C时,在Vin=500mV、Rt=10kΩ、CT=20pF的