首頁

大量程寬響應(yīng)加表I/V電路改進

發(fā)布時間：

2020-05-11

航晶微電子應(yīng)客戶要求，充分消化吸收日本JAE公司的JA-25GA石英撓性加速度計的經(jīng)驗。在加表的加工過程中引入微電子加工理念，有效的管控材料應(yīng)力和加工應(yīng)力，減小力矩器銅損，加雙隔離環(huán)等措施，歷時四年，研制成功性價比更符合中國國情的仿JA-25GA的石英撓性加速度計（順便指出：JA-25GA已對中國禁運）。

石英撓性加速度計伺服電路驅(qū)動力矩器的為一個跨導放大器,在供電+V_CC/-V_EE，以及I/V轉(zhuǎn)換的終端R_T給定情況下，跨導放大器受線性范圍所限,致使在大量程時沒有能力把慣性質(zhì)量塊拉回到機械零位附近。嚴重時慣性擺組要碰/蹭上/限扼鐵。（這在我們解剖已損壞的加表中得到驗證）。

為了在實際工況條件下（比如異常的沖擊/振動），提高石英撓性加速度計的工作壽命，斯倫貝切（SLB）公司在其儀器中引入了“功率虛地”的概念。在很大程度上改善了石英撓性加速度計的工作壽命。其原理可等效下示意圖：

圖片1.png

C₁=C₂=68uF R_T=250Ω

就是通過在+V_CC、-V_EE到加表電流輸出端加兩個大電容，建立一個“功率虛地”，在突發(fā)大的加速度輸入時，直接短路R_T。以使跨導放大器有更大的線性范圍來平衡所感知的加速度量，避免/減少慣性擺組“碰/蹭”現(xiàn)象的發(fā)生。

初看這個方案幾近完美。但實際試用情況和深入分析，還是會看出該方案存在以下不足之處。

·響應(yīng)寬帶被壓的很小

這在近鉆頭測量上，或在巡航彈/智能炸彈上是所不允許的,只有在“準靜態(tài)”測量上沒有問題。

·對C₁、C₂的品質(zhì)以及容值全溫域匹配要求很高。若電容的寄生電感（ESL）大，串聯(lián)電阻（ESR）大，都不能起到很好的作用。

若兩個電容容值不相等，漏電不相等。則會給I/V轉(zhuǎn)換引入一個“附加零位”。

·對于低于f_C的超量程外施加速度沒有作用。

這點特別不適合巡航彈/智能炸彈等軍工用途。但反觀軍工的一些應(yīng)用方案，會發(fā)現(xiàn)仍然沒有很好的管控/折中寬響應(yīng)寬帶與實際工況條件下可能遇到的超量程情況，致使石英撓性加速度計實際“使用的可靠性”并不高。

基于以上分析，結(jié)合近鉆頭測量以及可能的軍工應(yīng)用，筆者認為，在實際工況條件下，更應(yīng)該把運算放大器的“虛地”概念理解好并應(yīng)用好，以解決石英撓性加速度計大量程、過量程、寬響應(yīng)寬帶之間的矛盾，提高該類型加表“使用的可靠性”。

下面介紹一款加表I/V轉(zhuǎn)換的拓普結(jié)構(gòu)：

基本組成分兩部分：I/V轉(zhuǎn)換和二階有源低通

·來自正交裝配的石英撓性加速度計的輸出I_i，經(jīng)由HJ028、HJ0002以及附屬元件組成的I/V轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成電壓信號V^'_oi

V^'_oi=I_i·R_T（R_T為精密采樣電阻）

V^'_oi的共模噪聲已處理，其差模噪聲由HJ1107及外圍元件構(gòu)成的二階切比雪夫有源低通（LPF）處理。

·R₁=R₂=510Ω是為防止因加表輸出線較長/斷路情況下，靜電/電浪涌的焦耳能量燒毀HJ028輸入級而加的，C_C是消振電容，D₁、D₂的作用是輸出軟鉗位，需要根據(jù)后級ADC的轉(zhuǎn)換范圍決定。

·這種結(jié)構(gòu)從I_i端看，相當于加表的輸出“虛接地”，有利于克服加表伺服電路過早飽和問題，同時相對于斯倫貝切公司的方案而言，不降低響應(yīng)寬度。

·保證加表輸出等于“虛擬地”的前提是運算放大器的驅(qū)動能力足夠，且工作在線性區(qū)，HJ028具有輸入阻抗高，輸入失調(diào)電流小，輸出電壓范圍寬，壓擺率高，耐高溫等優(yōu)點，但HJ028的輸出驅(qū)動能力不夠，因此需引入HJ0002緩沖器提高驅(qū)動能力，HJ0002必須鉗入運放環(huán)內(nèi)才能達到高精度。

·AGND為后續(xù)ADC的模擬地，GNDi為加表的輸出地。為了更好地清除I_i的共模噪聲，一是不能粗暴地將AGND與GNDi用所謂的“地平面”短接！而且三軸正交裝配的加表要有三個在加表引出端“分叉”的GNDi。

·HJ028、HJ0002、HJ1107均能耐≥180℃高溫，適合石油勘探儀器用，也能滿足GJB597和GJB2438的軍品要求。

石英撓性加速度計仍然是目前國內(nèi)外公認的高精度、低溫漂、低時漂、小熱遲滯的慣性儀表，且在多個行業(yè)大量使用。我們真誠希望客戶與供應(yīng)方加強溝通，把這類加表用好，以提高儀器/裝備的可靠性。

我們的命名為HJAF2000HT（大表）和HJAF3000HT（小表），目前國內(nèi)已有四家客戶在用。下圖是實物圖和尺寸圖：