一种阻尼补偿电路的研制

一种阻尼补偿电路的研制

曹艳（陕西华经微电子股份有限公司，陕西西安710065）0引言该电路主要用于我国某型号军用飞机的陀螺控制系统的姿态调整，为陀螺系统提供阻尼补偿。这为配套本型号飞机仪表的国产化奠定基础。由于电路的工作环境非常恶劣，所以对产品的外形尺寸、机械性能、温度特性等有很高的要求。随着航海、航空仪器设备的迅速发展，对阻尼补偿器产品在外形尺寸、参数精度、工作温度范围、质量等级等方面的技术要求也越来越高。因此，本着为整机提供更稳定、更可靠的产品，本着小型化、批产化和高可靠的设计原则，进行了阻尼补偿器产品的研发，解决了相关领域的技术瓶颈，满足了国防军工用户及未来市场的需求。该电路采用厚膜混合集成电路工艺，使用厚膜基板多层印刷技术，全金属密封封装，体积小，重量轻[1]。该电路的研制成功，具有良好的经济效益。该产品首先可应用于航空领域工程，具有较大的市场空间，然后可以推广到航海、坦克等领域的姿态控制中，为其陀螺系统提供阻尼补偿，属关键部件。1产品描述和分析1.1主要技术指标供电电源有两个，正电源VCC=+15V±0.2V；负电源VEE=-15V±0.2V。外形尺寸为Max37mm×21mm×10mm。电特性包括7点，具体如下。（1）放大倍数为3.5～5.5倍可调。（2）高、低温下，放大倍数稳定度为不大于1.2%。（3）直流零位为不大于1mV。（4）高、低温下，直流零位稳定度为不大于1mV。（5）陷波中心频率为36Hz，精度1%。（6）高、低温下，陷波中心频率偏差不大于2%。（7）直流差分输出满量程为±12V。1.2产品外形尺寸产品外形尺寸（见图1），而图中尺寸符号的数值如表1所示。图1外形尺寸1.3产品的设计原理图2为产品设计原理框图。图2原理框图由图2可知，产品主要由7个功能电路组成，即交流前置放大、解调电路、低通滤波1、调零电路、带阻滤波、低通滤波2及差分放大输出电路。表1图1中尺寸符号的数值这种阻尼补偿电路主要由七部分电路组成，每一部分作用不同。笔者将结合电路原理框图具体说明其工作原理。第一部分为交流前置放大电路输入的1800Hz的正弦信号，经前置放大电路进行1.2倍放大后，输出到下一级解调电路。第二部分为解调电路。首先，7V、1800Hz的激磁信号经过波形变换电路转换成方波，从而控制模拟电子开关的通断。低电平模拟开关导通，高电平则截止。然后通过高速精密模拟开关将该部分电路输出的1800Hz的正弦信号转换成直流信号，进入下一部分低通滤波1电路。第三部分为低通滤波1电路。经过解调电路部分解调后得到的直流信号，通过低通滤波1电路进行初步平滑滤波，然后输出到下一级电路。第四部分为外部调零电路。对低通滤波1电路的同相输入端进行外部调零。这减小了集成运放的前级放大电路输入失调电压对输出电压造成的影响。第五部分为带阻滤波电路。将中心频率在36Hz左右的杂波信号，通过带阻滤波电路部分进行滤除。第六部分为低通滤波2电路。这部分电路可以进一步滤除电路中的噪声信号。第七部分为差分放大电路。电路的最后一级差分放大输出电路，采用跟随防震荡电路，使整个电路信号传输失真度小，线性度高。2电路的平面转化和厚膜化工艺分析电路的技术指标可知，该电路的陷波中心频率及其偏差很小，故实现该指标的带阻滤波器的元件选取就成为关键。首先进行平面化设计。该电路较为复杂，各类元器件共计35支，而外型尺寸只有36mm×20mm×9mm，且基片采用激光划片26齿，去掉26齿所占面积，实际基片可用面积仅为34mm×18mm。要把这么多元件集成在34mm×18mm的基片上是不可能的，若采用一般单层装配工艺根本无法实现，但由于高度有空间，因而可以充分发挥先进的厚膜混合集成工艺技术优势，采用介质隔离布线工艺及双层基片结构，以提高组装密度。把从低通滤波2以前的单元电路全部组装到上层基片上，低通滤波2及外部调零电路和差分放大电路则组装在下层基片上。这样可以先进行下层基片的测试，待合格后再组装上层基片，然后进行全电路的半成品测试。根据这样的设计思路，进行了电路的平面转化[2]。产品中的电阻全部采用厚膜印刷电阻。由于本电路要实现信号传输，其失真小，线性度高，无功率，电阻的精度和稳定性要好，所以31个电阻全用厚膜工艺印制成膜电阻。膜电阻经过严格老化筛选，以保证电阻的稳定性。阻值调整采用先进、精度高的激光机调阻，以保证其阻值达到0.5%的精度。同时，还需保证其温度系数小于100ppm/℃，以确保指标达到要求。厚膜技术的应用，有效缩小了电路的体积，提高了电路的稳定性，使产品更加成熟可靠。3产品的持续改进过程产品送样，用户在详细测试和整机配套试用后，发现了几只问题产品。这引起了笔者的高度重视，随后立即着手进行仔细的分析和举一反三的改进。问题产品1：产品在机械振动试验中管脚断裂。导致产品在机械振动试验中引出脚断裂的原因是产品底座的引线较细，只有Φ0.45，且除了产品所需要的26个引出脚外，无其他任何加固管腿。针对此问题，通过讨论研究，提出了涂胶法、卡箍法及更改底座设计三种解决方案。与用户沟通后，综合考虑产品安装要求、使用环境、外形尺寸等条件，最终决定采取更改底座设计的方案。在产品外形尺寸完全不做改动的情况下，将原来管脚由Φ0.45加粗到Φ0.6。同时，在底座增加四个Φ1的固定柱，加强产品在机械振动试验过程中的牢固性、可靠性。方案的验证情况具体如下，后续给用户提供了60只产品，使用新的底座后，再反复进行机械振动试验，故障现象消失。问题产品2：产品输出零位超差。得到用户反馈后，立即组织相关人员进行分析，发现用于产品调零的一个二极管引脚虚焊，导致产品输出零位电压超差。针对该问题的改进措施包括3个，具体如下。（1）进一步加强员工的技能培训，提高员工的工作责任心和质量意识，杜绝类似问题再次发生。（2）加强执行采购元器件进厂检验工序，依据Q/CC20197B.11—2008企业标准，剔除不合格品。要求对用于此产品的该二极管，使用前在30倍放大镜下进行100%外观检查，对各引脚进行仔细观察，若有歪曲及引脚高低不平的器件，判断为不合格品。（3）加大生产过程中各工序的质量检验力度，将之前用于检查的10倍放大镜提高到30倍以上。严格采取这些措施，后续给用户提供的产品，经用户使用，再无出现类似质量问题。4产品的特点产品的特点包括5个，（1）产品精度高、指标一致性好、工作温度范围宽、性能稳定；（2）输出级采用跟随防振荡电路，信号传输过程中的失真小、线性度高；（3）厚膜电阻使用激光机调阻，片电容采用一类介质电容，精度高、一致性好、工作稳定，电性能指标的高低温偏差很小；（4）体积小、重量轻、底座另加