集成函数发生器8038芯片内部电路的验证与分析

摘要：在介绍ICL8038工作原理及管脚功能的基础上，对其内部电路进行了详细分析，提出减小波形传输时间的方法。通过OrCAD 9．2对其内部电路进行晶体管级仿真，其结果表明，在触发器模块电路中采用抗饱和晶体管可提高电平翻转速度，且输出波形的频率和占空比可由电流或外围电阻控制。进一步分析证明，ICL8038具有精度高，误差小等优点，因此在各种工业自动化控制中具有巨大的应用前景。
关键词：ICL8038；占空比；信号源；频率

0 引言
    函数信号发生器ICL8038是一种大规模集成电路，能产生精度较高的正弦波、方波、矩形波，锯齿波等多种信号。在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，如：通信、广播、电视系统需要射频(高频)发射；工业、农业、生物医学等领域需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器，而这些应用对输出波形的频率和占空比都需要进行调节，同时，在载波发射中，对电平的翻转速度也有更高的要求。为此，本文对ICL8038的内部芯片电路进行了详细分析，通过OrCAD软件对电路进行了仿真验证，通过搭建电路，对其中触发器电路进行了实验分析，并提出了减小波形传输时间的方法。实验结果表明，在触发器模块电路中，采用抗饱和晶体管可提高电平的翻转速度。

1 ICL8038及EDA软件OrCAD 9．2介绍
    目前实现函数发生器的方法国内外主要有4种：用分立元件组成的函数发生器；用晶体管、运放IC等通用器件制作的函数发生器；利用单片集成芯片的函数发生器；利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器。由于利用单片集成芯片的函数发生器能产生多种波形，可达到较高的频率，且易于调试，因此本文的研究则基于此方法。
    电子设计自动化软件(OrCAD 9．2)是OrCAD公司于2000年5月推出的产品，它采用Top-down设计策略，增加了PSpice的优化设计，实现了人工智能布线，加强了技术经济管理(CIS)内容，不仅绘图准确，美观清晰，功能强，操作简便，而且可给企业带来巨大的经济效益，因此在国内外受到越来越多用户的欢迎。
    OrCAD 9．2主要包括3部分内容：原理图输入、器件信息管理系统OrCAD Capture CIS 9．2；模拟数字混合电路分析与设计OrCAD 9 PS-pise 9．2；印制版电路图设计OrCAD Layout 9．2。OrCAD PSpice的特点是集成度高，且具备完整的Probe观测和完整的仿真功能；适合模块化和层次化设计；可模拟行为模块；还具有数字、模拟仿真功能，以及元件库扩充功能。

2 ICL8038工作原理及内部电路
    ICL8038工作原理及典型应用如图1所示，其内部电路由恒流源电路，电压比较器I、Ⅱ，触发器电路，缓冲器电路和正弦变换器电路组成。工作原理如下：利用恒流源对外接电容进行充、放电，产生三角波(或锯齿波)，经缓冲器I从第3脚输出；由触发器获得的方波(或矩形波)，经缓冲器Ⅱ从第9脚输出；再利用正弦波变换器将三角波变换成正弦波，从第2脚输出；改变电容器的充、放电时间，可实现三角波与锯齿波、方波与矩形波的互相转换。

    ICL8038构成函数波形发生器时，将7，8两脚短接。管脚8为调频电压输入端。振荡频率与调频电压成正比，其线性度约为0．5％。管脚7为输出调频偏置电压，可作为管脚8的输入电压。如图1所示，通过调节外接电阻RA和RB可控制电流源I1和I2的大小，继而控制电容充放电的时间。电容的充电时间T1和放电时间T2分别为：
    

    由式(1)和式(2)可得：当RA=RB时，电容的充放电时间相等，占空比为50％的三角波，其占空比为：
    
    式中：RA和RB的阻值宜在U1／I1～U1／I2范围内(U1指管脚6与管脚8之间的电压；I1=1 mA；I2=10 μA)，且RB应小于2RA。
    当RA=RB=R时，电容两端的电压频率为：
   

3 ICL8038内部电路模拟及分析
    本文将借助OrCAD 9．2对Intersil公司生产的ICL8038的内部电路进行深入模拟和分析。首先将把整体电路分解成具有独立功能的几个部分，进而分析每一部分的工作原理和主要功能，然后得出各部分电路之间的联系，借助OrCAD模块化建模方式，将各部分电路组合联系起来，仿真分析出整个电路所具有的功能和性能特点。由于ICL8038内部电路比较复杂，在分析仿真时，把整个电路分解成了5个功能相对独立的部分，并在OrCAD 9．2中采取模块化搭建电路。其中包含恒流源模块(CURSOURCES)、电压比较器模块(COMPARATOR)、触发器模块(FLIP-FLOP)、缓冲器模块(BUFFER)、正弦变换器模块(SINE)。本文针对ICL8038在射频载波应用中如何减小波形传输时间、提高输出波形频率的关键问题，对触发器模块进行了详尽分析和研究。

4 触发模块内部电路分析
    ICL8038集成电路的触发模块如图2所示。触发器的输出端Q作为恒流源模块中电子开关S的输入，当Q为高电平时，开关开启，使电容放电；当Q为低电平时，开关关闭，使电容充电。触发器的输出端Q通过缓冲电路作为方波信号产生输出，目的是为了隔离波形发生电路和负载，使方波输出端的输出阻抗足够低，以增强带负载能力。

 
    ICL8038内部触发器采用抗饱和电路，从而提高了工作速度。由于双极性晶体管导通时工作在深度饱和状态是产生传输延迟时间的一个主要原因。如果能使双极性晶体管导通时避免进入深度饱和状态，那么传输延迟时间将大幅度减小。所以在高速门电路中，采用了抗饱和晶体管(或称为肖特基晶体管)。本文中触发器采用了Philips公司的PZTM1101抗饱和晶体管(如图2中的Q25～Q29)。
    抗饱和晶体管是由普通的双极型晶体管和肖特基二极管(schottky barrier diode，SBD)组合而成的。和普通的PN结型二极管不同，肖特基势垒二极管是由金属和半导体接触形成的，它的制造工艺和TTL电路的常规工艺完全相容，以至无需增加工艺步骤即可得到SBD。由于SBD的开启电压很低，只有0．3～0．4V，所以当晶体管的b-c结进入正向偏置以后，SBD首先导通，并将b-c结的正向电压钳在0．3～0．4V。此后，从基极注入的过驱动电流从SBD流走，从而有效地制止了晶体管进入深度饱和状态。但是，采用抗饱和晶体管也会带来电路功耗增大的缺点。在实验中，通过对触发器电路模块使用普通晶体管2N3904与抗饱和晶体管PZTM1101分别进行测试，得出如表1所示的实验结果。通过对结果分析比较可得出：在触发器模块电路中，采用PZTM1101替代2N3904可使触发器的电平翻转速度提高1 000倍，从而达到减小波形传输时间和提高输出波形频率的目的。

5 ICL8038典型应用电路的模拟及仿真
    通过OrCAD 9．2对图1电路进行模拟仿真。当外接电阻RA=RB=10 kΩ时，仿真波形如图3所示。横轴显示仿真时间，纵轴显示电压值。V(3_TRIANGULAR)表示锯齿波，V(2_Sine)表示正弦波，V(9_SQUARE)表示矩形波。仿真结果显示周期为100μs，占空比为50％。占空比计算公式参考式(1)～(3)。当外接电阻RA=10 kΩ，RB=8 kΩ时，仿真波形如图4所示。横轴显示仿真时间，纵轴显示电压值。V(3_TRIANGULAR)表示锯齿波，V(2_Sine)表示正弦波，V(9_SQUARE)表示矩形波。仿真结果显示周期为83．3μs，占空比为60％。占空比计算公式参考式(1)～(3)。
由图3、图4仿真波形可以得出：改变外接电阻可调节输出波形的占空比和频率，且频率在0．001 Hz～300 kHz范围内可调，步进为0．1kHz，波形的占空比在2％～98％范围内可调。波形稳定，无明显失真。

6 结语
    通过OrCAD 9．2对电路的模拟仿真可以看出，几种波形均能准确产生。在电路设计时，触发器模块(FLIP～FLOP)中Q25～Q29采用Philips公司的PZTM1101抗饱和晶体管。抗饱和晶体管能使导通时避免进入深度饱和状态，使传输延迟时间大幅度减小，所以采用抗饱和晶体管构建的触发器模块具有很快的电平翻转速度。仿真结果表明，该电路具有精度高，误差小等优点，输出波形的频率和占空比均可由电流或外围电路控制。