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AND8054/D
设计RC振荡器
电路与低电压
运算放大器和
比较精密
传感器应用
吉姆Lepkowski
高级应用工程师
克里斯托弗·扬
工程实习,美国亚利桑那州立大学
http://onsemi.com
应用说明
介绍
RC运算放大器振荡器的设计
需要使用正式的设计过程。在一般情况下,该
设计公式为这些振荡器不可用;
因此,有必要导出的设计方程
象征性地选择了阻容元件,并确定
各成分的对频率的影响
振荡。一个设计程序将显示两种状态
可在精度可以使用可变振荡器电路
电容式传感器的应用。这两个振荡器具有
的输出频率成比例的两个产品
电容(C
1
*C
2
)和两个电容器C中的比率(
1
/C
2
).
使用的状态变量振荡器已建成
安森美半导体新的低于1伏家运营
放大器和比较器。的MC33501 , MC33503和
NCS2001运算放大器,并且所述NCS2200
比较器是业界第一款也是唯一商业化
这是在一个电压指明可用的模拟元件
0.9伏。这些组件可以从一个单一的供电
镍镉电池,镍氢电池或碱性电池。宽工作
-40_C至+ 105_C的温度范围使这些器件
适用于广泛的应用范围。
安森美半导体的系列低电压操作的
放大器和比较器帮助解决模拟的局限性
这导致从行业的运动后低
电源电压。安森美半导体系列
模拟组件提供模拟解决I / O
所需要的新出现的低压接口电路
DSP和微控制器芯片。
有许多的优点,即导致
降低电源电压,如较低的功率
消耗和多个电源的降低。
低电压模拟设计也导致了新的挑战
设计师和必须小心,以现有的传输
高电压电路的低电压电平。为
例如,设备参数,如带宽和转换
速度减少的电压降低,并且在温和的
相较于在电压运行等传统设备
as
±10
五,此外,还有一个限定电压摆动范围
可在低电压下;然而,这个问题是
双方的轨到轨单电压范围最小化
ON半导体的输入和输出信号
设备。
该MC33501和MC33503都设计有一个
BiCMOS工艺,而NCS2001和NCS2200是
采用了全CMOS工艺实现。主要属性
这些设备是其低电压操作和全
轨到轨输入和输出范围。轨到轨
操作是通过采用独特的输入级,是提供
通过折叠级联N沟道耗尽模式形成
差分放大器。的简化原理图
MC33501和MC33503示于图1 。
半导体元件工业有限责任公司, 2002年
1
2002年2月 - 第1版
出版订单号:
AND8054/D
AND8054/D
V
CC
IN-
OFFSET
电压
TRIM
IN +
OUT
V
CC
V
CC
产量
电压
饱和
探测器
V
CC
BIAS
该MC33501 / MC33503图1.原理示意图
安森美半导体的系列低电压运算放大器和比较器
部分
MC33501
MC33503
部件
操作
扩音器
过程
BiCMOS工艺
特点
TSOP–5
供货情况
可现在,
产能释放4Q2000
1.0 V @单电源供电
增益带宽积为3兆赫(典型值)。
开环电压增益= 90分贝(典型值)。
NCS2001
操作
扩音器
CMOS
0.9 V @单电源供电
增益带宽积为1.1 MHz(典型值)。
开环电压增益= 90分贝(典型值)。
TSOP–5
可现在,
产能释放1Q2001
NCS2200
比较
CMOS
1.0 V @单电源供电
传播延迟1.1
ms
(典型值)。
补充或开漏输出
CON组fi guration
TSOP–5
产品预览
产能释放1Q2002
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2
AND8054/D
传感器系统
有多种不同的电路可用于
精确地测量电容式传感器。设计选择
包括开关电容电路,模拟多谐振荡器,
交流的桥梁,数字逻辑IC和RC运算放大器
振荡器。对于精密传感器电路的要求
包括精度高,可靠的启动,良好的长期
稳定性,灵敏度低杂散电容和最小
元件数量。状态变量RC运算放大器
振荡器满足上述所有要求;因此,
它们形成的基础研究。
电容传感器系统的框图,示出
在图2中,振荡频率是通过计算发现
的时钟脉冲(即兆赫)的一个时间窗口中的数
由方波振荡器的输出被形成(即kHz)的
一个比较器电路。该计数器电路可
用数字逻辑计数器电路或通过使用实施
一时间处理单元( TPU )通道
微处理器。如果需要的话,温度校正可以
通过实现曲线拟合程序与实现
通过校准传感器在操作数据得来的
范围内。模拟集成电路的传感器可用于监测传感器
温度或非常精确的应用程序的第二
振荡器可以用铂电阻建
温度设备(RTD )传感器。
此外,它是用于在传感器系统通常很重要
计算两个电容的比值。计算的比值
电容降低了传感器的灵敏度
从介电系数的错误,如温度。在其他
情况下,例如在空气中数据石英
DP
压力传感器,该
所需的测量值等于两个的比率
电容(C
MEAS
/ C
REF
) 。此外,双传感器
通常被设计成双倍了C
MEAS
电容,
而C
REF
可能会发生变化小于百分之一。因此,该
如果一个换能器电路的精度提高,如
比状态变量振荡器可以直接检测了C
MEAS
到C
REF
比。
C
MEAS
C
REF
时钟
RC运算放大器
振荡器
比较
计数器
电路
温度
传感器
算法:
算在一个时间窗口由振荡器脉冲设定时钟脉冲数。
时钟
信号
振荡器
信号
EEPROM :
温度
赔偿金
系数
微处理器
电容式传感器的应用如图2框图
传感器应用
RC运算放大器的振荡器可以用来
精确检测电阻式和电容式传感器;
然而,本文将只分析电容的应用。
电容式传感器及三个基本配置的
属性被显示在表1的绝对和双
电容式传感器将与绝对和比例使用
振荡电路上。差动电容
传感器通常都不会在高精度应用中使用;
因此,他们将不会在本文中进行分析。
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3
AND8054/D
电容式传感器的表1中总结
传感器配置
绝对
迪FF erential
CMEAS
CREF
示意图
CMEAS
C1
C2
传感器应用
绝对压力
湿度
促进
油位
油质
移位
近接
差压
电路
绝对振荡器
频率。
T
CMEAS
比振荡器
典型电路 - 多谐振荡器
频率。
T
C1
*
C2
振荡频率
C
频率。
T
MEAS
CREF
振子的
振荡器是一个正反馈控制系统,
不具有外部输入信号,但会产生
如果满足某些条件的输出信号。在实践中,一小
输入是从因素如应用到反馈系统
噪声拾取或电源瞬变,这将启动
反馈过程,产生持续的振荡。块
的振荡器的示意图示于图3 。
传输方程的分母中的极点T(多个) ,
或等效的特征方程的零,
确定该系统的时域特性。如果T ( S)
具有其所有极点位于左侧平面内的,该系统
是稳定的,因为相应的条款都
+
V
IN
A
放大器增益器
V
OUT
指数衰减。与此相反,如果T (多个)具有一个极点
位于右半平面内,该系统是不稳定的
因为相应的术语以指数方式增加在
幅度。振荡器是一个之间的边界线
稳定和不稳定的系统和时形成一对
极是在虚轴上,如图4 。
如果环路增益的幅值是大于1并且
该相位是零,振动的振幅将增加
指数直到在系统中的一个因素,如供
电压限制的生长。相反,如果幅度
环路增益小于1 ,振动的振幅
将指数下降到零。
V
A
A
A
T( S)
+
OUT
+
+
+
A
+
N( S)
Ds
VIN
1
*
Ab
1
*
LG
D( S)
哪里
A
b
+
LG
5
环路增益
Ds
5
特征方程
如果VIN
+
为0,则T (多个)
+ Rwhen
Ds
+
0
b
反馈系数
在振荡条件
Ds
= 0,称为
为巴克豪森稳定性判据,
| LG |
+
1 (幅度)和
ELG +
0 (相位) 。
振荡器图3.框图
虚( jω )
虚( jω )
真正的( ω )
真正的( ω )
二阶振荡器
三阶振荡器
图4.极点位置的二阶和三阶振荡器
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AND8054/D
电路描述
绝对的状态变量振荡器
绝对的状态变量振荡器时使用
测量正比于一个或两个电容器
(即频率。
α
C
1
*C
2
) 。的框图及电路图
绝对值电路示于图5和图6,该电路
包括两个积分器和反相器电路。每
积分器具有90_的相移,而逆变器增加了一个
另外180_相移;的360_因此,一个总的相移
被馈入,以产生所述第一积分器的输入端
振荡。第一积分器级包括放大器
A
1
,电阻R
1
传感器和电容C
1
。第二个
积分由放大器A
2
,电阻R
2
和传感器
电容C
2
。电阻 - 电容组合
1
和C
1
,
和R
2
和C
2
中,设置每一个积分器级的增益,在
除了设置振荡频率。逆变器
舞台由放大器A
3
,电阻R
3
和R
4
电容C
4
。电容C
4
是不正常的必要
操作;但是,它可以确保在振荡器启动
极端环境温度条件下。
限流电路
V
1
积分
6
q
= 90°
积分
V
2
逆变器
6
q
= 90°
V
3
6
q
= 180°
图5.绝对振荡器框图
C4
限流电路
C1
C2
R4
R1
+
A1
V
1
R2
+
A2
V
2
R3
+
A3
V
3
绝对传感器电容C1和C2所使用的集成放大器。
图6.绝对振荡器原理图
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