高精度双路相敏放大器的设计

摘要：介绍一种将检测的输入正弦信号与基准正弦信号按一定关系进行相位比较，进而产生一直流电压信号。该信号送往控制系统进行相位校正，对其原理、结构设计及制作工艺过程进行了详细的叙述，实验结果表明它可工作在比较恶劣环境中。
关键词：相敏；放大器；高精度；模拟电路

    在许多电子控制系统中，经常需要用到高精度相位控制。双路相敏放大器主要功能是将采集的正弦信号与基准正弦信号按一定关系进行相位比较，进而产生一直流电压信号。该信号送往控制系统进行相位校正，对保障设备系统正常工作具有十分重要的作用。在此介绍一种采用模拟电路设计的方法，采用厚膜混合集成工艺，金属外壳、储能焊封装，内腔采用芯片及细线键合工艺，该电路精度高、温漂小。

1 方案设计
1．1 基本方案
    产品总体设计方案如图1所示。实验中采用标准信号源来模拟系统输入信号，输出频率为2 400 Hz，有效值为7 V的正弦波作为基准(激磁)信号，将该信号进行运算处理作为输入信号VIN+和VIN-。OUT1，OUT2则为两路输出，负载为1kΩ。

1．2 电路原理
    电原理框图如图2所示。

     以下按单路相敏放大器进行分析计算。
1．2．1 放大器
    放大器如图3所示。

    该电路可接为同相放大器和反相放大器，如果输入信号为：
    u1=Usin(ωt+φ)
    同相放大器时输出为：
    u2=u1／2·(1+R3／R1)
    当R1=R3=100 kΩ时，u2=Usin(ωt+φ)
    反相放大器时输出为：
    u2=-u1R3／R1
    当R1=R3=100 kΩ时，u2=-Usin(ωt+φ)
1．2．2 波形转换器
    激磁信号通过零交叉检测器，产生与激磁信号频率相同、相位相反，且幅度一致的方波，方波用做驱动模拟开关。该功能用运算放大器LM111实现。模拟开关用AD7510或DG444模拟开关完成波形整形，用做相位检测中比较的基准信号，如图4所示。

1．2．3 相位检测电路
    (1)原理组成
    相位检测电路主要由乘法器和低通滤波器组成，其基本组成如图5所示。

    另输入信号为：
    usr=Umsin(ωt+φ)
    根据傅里叶函数，方波信号为：

    经低通滤波器后的直流分量为：
    Usc=(2／π)UmEmsinφ
    (2)实际电路
    该电路与原理稍有差别，被测信号为正弦波，模拟开关的驱动信号为同频率的方波。当方波信号为正半周时，输出信号就是这半周所对应的输入信号。当方波信号为负半周时，输出信号就是这半周所对应输入信号的倒相信号。实际电路如图6所示，等效电路如图7所示。

    由等效电路可知：
    U3=u2R7／R6
    当R6=R7=100 kΩ时，u2=Usin(ωt+φ)
    直流分量为：
    U3=2／πUsinφ，同相
    U3=-2／πUsinφ，反相
1．2．4 低通滤波器
    低通滤波器用来通过低频信号，抑制或衰减高频信号。在该产品中采用一阶低通滤波器。电路如图8所示。

    滤波器的截止：
   
    由于滤波器的截止频率远低于输入信号频率，因此可认为滤波器的输入信号是直流分量。
    KF=Uo／U3=-Rt／R8
    Uo=Rt／R8·U3
      =Rt／R8·2／π·Usinφ)
1．3 计算验证
    由Uo=Rt／R8·2／π·Usinφ可知，Rt外接便于用户使用，那么只有输入信号幅值U和相位偏差φ是变量。取Rt=160 kΩ，R8=100 kΩ，U=1．4×7 V，φ=90°，Uo=Rt／R8·2／π·Usinφ=9．98 V，由计算得知，达到了设计目标。

2 高精度双路相敏放大器的关键设计
    为了更好的保证的产品性能，根据产品自身的特点和用户要求，将产品低通滤波器的RC网络外接，便于使用调整。图9为高精度双路相敏放大器电原理。

2．1 对产品通道一致性和输出零位的考虑及设计
    严格保证通道一致性：输出误差小于等于100 mV，输出零位：≤±5 mV。为此，不但从器件的选型及性能上入手，而且根据公司工艺特点，引入了跟踪调阻的方法。在电路中加入了吸收网络，同时严格控制运算放大器的失调电压，解决了输出零位：≤±5 mV的难题，从而满足产品性能指标的要求。
2．2 结构设计
    采用DIP-16平底式全密封金属外壳底座，底座镀金，外壳镀镍，该套材料合格分供方生产工艺已很成熟，便于采购。
    为了便于整机组装，并且能够经得起振动、冲击等机械试验，产品内部尽量采用适合平面组装的片式元件，这样大大简化了组装工艺。封装采用全密封技术，密封在于燥、清洁的氮气中进行，帽与底座之间进行贮能焊封装，封装之后细检的漏气率小于500×10-6kPa·cm3／s，保证产品的气密性、可靠性。
    图10高精度双路相敏放大器内部结构图。

2．3 工艺研究
    为保证产品的性能和可靠性，经过大量的工艺实验，最后确定在工艺上采用以下一些特殊工艺措施：
    (1)除芯片电路外，对元件高温存贮后，进行100％筛选检验；
    (2)采用二次套印帮定焊盘的工艺，以保证压焊的可靠性；
    (3)采用厚膜基片与底座焊接的工艺，以确保芯组与底座的机械连接，减小热阻；
    (4)优选所用元器件材料，关键器件采用国外大公司的芯片电路，电容采用npo介质的电容。
    通过认真执行工艺及上述特殊工艺措施的落实，大大提高了生产效率，有效地保证产品的性能和可靠性，取得了良好的效果。

3 测试及用户使用情况
    测试及用户使用情况如表1所示。测试电路原理如图11所示。

4 结语
    该电路经过实际验证，各部分工作正常，已经成功运用在某系统中，使用效果良好。该方案不仅达到了双通道的一致性、高精度的要求，还具有使用灵活方便、可靠性高、体积小、成本低等的特点，是一种很好的电路模块。