一種阻尼補(bǔ)償電路的研制

一種阻尼補(bǔ)償電路的研制

曹艷（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西西安710065）0引言該電路主要用于我國(guó)某型號(hào)軍用飛機(jī)的陀螺控制系統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)整，為陀螺系統(tǒng)提供阻尼補(bǔ)償。這為配套本型號(hào)飛機(jī)儀表的國(guó)產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。由于電路的工作環(huán)境非常惡劣，所以對(duì)產(chǎn)品的外形尺寸、機(jī)械性能、溫度特性等有很高的要求。隨著航海、航空儀器設(shè)備的迅速發(fā)展，對(duì)阻尼補(bǔ)償器產(chǎn)品在外形尺寸、參數(shù)精度、工作溫度范圍、質(zhì)量等級(jí)等方面的技術(shù)要求也越來(lái)越高。因此，本著為整機(jī)提供更穩(wěn)定、更可靠的產(chǎn)品，本著小型化、批產(chǎn)化和高可靠的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行了阻尼補(bǔ)償器產(chǎn)品的研發(fā)，解決了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，滿(mǎn)足了國(guó)防軍工用戶(hù)及未來(lái)市場(chǎng)的需求。該電路采用厚膜混合集成電路工藝，使用厚膜基板多層印刷技術(shù)，全金屬密封封裝，體積小，重量輕[1]。該電路的研制成功，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。該產(chǎn)品首先可應(yīng)用于航空領(lǐng)域工程，具有較大的市場(chǎng)空間，然后可以推廣到航海、坦克等領(lǐng)域的姿態(tài)控制中，為其陀螺系統(tǒng)提供阻尼補(bǔ)償，屬關(guān)鍵部件。1產(chǎn)品描述和分析1.1主要技術(shù)指標(biāo)供電電源有兩個(gè)，正電源VCC=+15V±0.2V；負(fù)電源VEE=-15V±0.2V。外形尺寸為Max37mm×21mm×10mm。電特性包括7點(diǎn)，具體如下。（1）放大倍數(shù)為3.5～5.5倍可調(diào)。（2）高、低溫下，放大倍數(shù)穩(wěn)定度為不大于1.2%。（3）直流零位為不大于1mV。（4）高、低溫下，直流零位穩(wěn)定度為不大于1mV。（5）陷波中心頻率為36Hz，精度1%。（6）高、低溫下，陷波中心頻率偏差不大于2%。（7）直流差分輸出滿(mǎn)量程為±12V。1.2產(chǎn)品外形尺寸產(chǎn)品外形尺寸（見(jiàn)圖1），而圖中尺寸符號(hào)的數(shù)值如表1所示。圖1外形尺寸1.3產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理圖2為產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理框圖。圖2原理框圖由圖2可知，產(chǎn)品主要由7個(gè)功能電路組成，即交流前置放大、解調(diào)電路、低通濾波1、調(diào)零電路、帶阻濾波、低通濾波2及差分放大輸出電路。表1圖1中尺寸符號(hào)的數(shù)值這種阻尼補(bǔ)償電路主要由七部分電路組成，每一部分作用不同。筆者將結(jié)合電路原理框圖具體說(shuō)明其工作原理。第一部分為交流前置放大電路輸入的1800Hz的正弦信號(hào)，經(jīng)前置放大電路進(jìn)行1.2倍放大后，輸出到下一級(jí)解調(diào)電路。第二部分為解調(diào)電路。首先，7V、1800Hz的激磁信號(hào)經(jīng)過(guò)波形變換電路轉(zhuǎn)換成方波，從而控制模擬電子開(kāi)關(guān)的通斷。低電平模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，高電平則截止。然后通過(guò)高速精密模擬開(kāi)關(guān)將該部分電路輸出的1800Hz的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，進(jìn)入下一部分低通濾波1電路。第三部分為低通濾波1電路。經(jīng)過(guò)解調(diào)電路部分解調(diào)后得到的直流信號(hào)，通過(guò)低通濾波1電路進(jìn)行初步平滑濾波，然后輸出到下一級(jí)電路。第四部分為外部調(diào)零電路。對(duì)低通濾波1電路的同相輸入端進(jìn)行外部調(diào)零。這減小了集成運(yùn)放的前級(jí)放大電路輸入失調(diào)電壓對(duì)輸出電壓造成的影響。第五部分為帶阻濾波電路。將中心頻率在36Hz左右的雜波信號(hào)，通過(guò)帶阻濾波電路部分進(jìn)行濾除。第六部分為低通濾波2電路。這部分電路可以進(jìn)一步濾除電路中的噪聲信號(hào)。第七部分為差分放大電路。電路的最后一級(jí)差分放大輸出電路，采用跟隨防震蕩電路，使整個(gè)電路信號(hào)傳輸失真度小，線性度高。2電路的平面轉(zhuǎn)化和厚膜化工藝分析電路的技術(shù)指標(biāo)可知，該電路的陷波中心頻率及其偏差很小，故實(shí)現(xiàn)該指標(biāo)的帶阻濾波器的元件選取就成為關(guān)鍵。首先進(jìn)行平面化設(shè)計(jì)。該電路較為復(fù)雜，各類(lèi)元器件共計(jì)35支，而外型尺寸只有36mm×20mm×9mm，且基片采用激光劃片26齒，去掉26齒所占面積，實(shí)際基片可用面積僅為34mm×18mm。要把這么多元件集成在34mm×18mm的基片上是不可能的，若采用一般單層裝配工藝根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但由于高度有空間，因而可以充分發(fā)揮先進(jìn)的厚膜混合集成工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用介質(zhì)隔離布線工藝及雙層基片結(jié)構(gòu)，以提高組裝密度。把從低通濾波2以前的單元電路全部組裝到上層基片上，低通濾波2及外部調(diào)零電路和差分放大電路則組裝在下層基片上。這樣可以先進(jìn)行下層基片的測(cè)試，待合格后再組裝上層基片，然后進(jìn)行全電路的半成品測(cè)試。根據(jù)這樣的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行了電路的平面轉(zhuǎn)化[2]。產(chǎn)品中的電阻全部采用厚膜印刷電阻。由于本電路要實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，其失真小，線性度高，無(wú)功率，電阻的精度和穩(wěn)定性要好，所以31個(gè)電阻全用厚膜工藝印制成膜電阻。膜電阻經(jīng)過(guò)嚴(yán)格老化篩選，以保證電阻的穩(wěn)定性。阻值調(diào)整采用先進(jìn)、精度高的激光機(jī)調(diào)阻，以保證其阻值達(dá)到0.5%的精度。同時(shí)，還需保證其溫度系數(shù)小于100ppm/℃，以確保指標(biāo)達(dá)到要求。厚膜技術(shù)的應(yīng)用，有效縮小了電路的體積，提高了電路的穩(wěn)定性，使產(chǎn)品更加成熟可靠。3產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)過(guò)程產(chǎn)品送樣，用戶(hù)在詳細(xì)測(cè)試和整機(jī)配套試用后，發(fā)現(xiàn)了幾只問(wèn)題產(chǎn)品。這引起了筆者的高度重視，隨后立即著手進(jìn)行仔細(xì)的分析和舉一反三的改進(jìn)。問(wèn)題產(chǎn)品1：產(chǎn)品在機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)中管腳斷裂。導(dǎo)致產(chǎn)品在機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)中引出腳斷裂的原因是產(chǎn)品底座的引線較細(xì)，只有Φ0.45，且除了產(chǎn)品所需要的26個(gè)引出腳外，無(wú)其他任何加固管腿。針對(duì)此問(wèn)題，通過(guò)討論研究，提出了涂膠法、卡箍法及更改底座設(shè)計(jì)三種解決方案。與用戶(hù)溝通后，綜合考慮產(chǎn)品安裝要求、使用環(huán)境、外形尺寸等條件，最終決定采取更改底座設(shè)計(jì)的方案。在產(chǎn)品外形尺寸完全不做改動(dòng)的情況下，將原來(lái)管腳由Φ0.45加粗到Φ0.6。同時(shí)，在底座增加四個(gè)Φ1的固定柱，加強(qiáng)產(chǎn)品在機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中的牢固性、可靠性。方案的驗(yàn)證情況具體如下，后續(xù)給用戶(hù)提供了60只產(chǎn)品，使用新的底座后，再反復(fù)進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)，故障現(xiàn)象消失。問(wèn)題產(chǎn)品2：產(chǎn)品輸出零位超差。得到用戶(hù)反饋后，立即組織相關(guān)人員進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)用于產(chǎn)品調(diào)零的一個(gè)二極管引腳虛焊，導(dǎo)致產(chǎn)品輸出零位電壓超差。針對(duì)該問(wèn)題的改進(jìn)措施包括3個(gè)，具體如下。（1）進(jìn)一步加強(qiáng)員工的技能培訓(xùn)，提高員工的工作責(zé)任心和質(zhì)量意識(shí)，杜絕類(lèi)似問(wèn)題再次發(fā)生。（2）加強(qiáng)執(zhí)行采購(gòu)元器件進(jìn)廠檢驗(yàn)工序，依據(jù)Q/CC20197B.11—2008企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，剔除不合格品。要求對(duì)用于此產(chǎn)品的該二極管，使用前在30倍放大鏡下進(jìn)行100%外觀檢查，對(duì)各引腳進(jìn)行仔細(xì)觀察，若有歪曲及引腳高低不平的器件，判斷為不合格品。（3）加大生產(chǎn)過(guò)程中各工序的質(zhì)量檢驗(yàn)力度，將之前用于檢查的10倍放大鏡提高到30倍以上。嚴(yán)格采取這些措施，后續(xù)給用戶(hù)提供的產(chǎn)品，經(jīng)用戶(hù)使用，再無(wú)出現(xiàn)類(lèi)似質(zhì)量問(wèn)題。4產(chǎn)品的特點(diǎn)產(chǎn)品的特點(diǎn)包括5個(gè)，（1）產(chǎn)品精度高、指標(biāo)一致性好、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定；（2）輸出級(jí)采用跟隨防振蕩電路，信號(hào)傳輸過(guò)程中的失真小、線性度高；（3）厚膜電阻使用激光機(jī)調(diào)阻，片電容采用一類(lèi)介質(zhì)電容，精度高、一致性好、工作穩(wěn)定，電性能指標(biāo)的高低溫偏差很??；（4）體積小、重量輕、底座另加