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大量程宽响应加表I/V电路改进

【摘要】:
航晶微电子应客户要求,充分消化吸收日本JAE公司的JA-25GA石英挠性加速度计的经验。在加表的加工过程中引入微电子加工理念,有效的管控材料应力和加工应力,减小力矩器铜损,加双隔离环等措施,历时四年,研制成功性价比更符合中国国情的仿JA-25GA的石英挠性加速度计(顺便指出:JA-25GA已对中国禁运)。

石英挠性加速度计伺服电路驱动力矩器的为一个跨导放大器,在供电+VCC/-VEE,以及I/V转换的终端RT给定情况下,跨导放大器受线性范围所限,致使在大量程时没有能力把惯性质量块拉回到机械零位附近。严重时惯性摆组要碰/蹭上/限扼铁。(这在我们解剖已损坏的加表中得到验证)。

  为了在实际工况条件下(比如异常的冲击/振动),提高石英挠性加速度计的工作寿命,斯伦贝(SLB)公司在其仪器中引入了“功率虚地”的概念。在很大程度上改善了石英挠性加速度计的工作寿命。其原理可等效下示意图:

图片1.png

C1=C2=68uF RT=250Ω

就是通过在+VCC、-VEE到加表电流输出端加两个大电容,建立一个“功率虚地”,在突发大的加速度输入时,直接短路RT。以使跨导放大器有更大的线性范围来平衡所感知的加速度量,避免/减少惯性摆组“碰/蹭”现象的发生。

初看这个方案几近完美。但实际试用情况和深入分析,还是会看出该方案存在以下不足之处。

·响应宽带被压的很小

图片2.png

 

这在近钻头测量上,或在巡航弹/智能炸弹上是所不允许的,只有在“准静态”测量上没有问题。

·对C1、C2的品质以及容值全温域匹配要求很高。若电容的寄生电感(ESL)大,串联电阻(ESR)大,都不能起到很好的作用。

若两个电容容值不相等,漏电不相等。则会给I/V转换引入一个“附加零位”。

·对于低于fC的超量程外施加速度没有作用。

这点特别不适合巡航弹/智能炸弹等军工用途。但反观军工的一些应用方案,会发现仍然没有很好的管控/折中宽响应宽带与实际工况条件下可能遇到的超量程情况,致使石英挠性加速度计实际“使用的可靠性”并不高。

基于以上分析,结合近钻头测量以及可能的军工应用,笔者认为,在实际工况条件下,更应该把运算放大器的“虚地”概念理解好并应用好,以解决石英挠性加速度计大量程、过量程、宽响应宽带之间的矛盾,提高该类型加表“使用的可靠性”。

下面介绍一款加表I/V转换的拓普结构:

基本组成分两部分:I/V转换和二阶有源低通

05071.png

  ·来自正交装配的石英挠性加速度计的输出Ii,经由HJ028、HJ0002以及附属元件组成的I/V转换,转变成电压信号V'oi

     V'oi=Ii·RT(RT为精密采样电阻)

 V'oi的共模噪声已处理,其差模噪声由HJ1107及外围元件构成的二阶切比雪夫有源低通(LPF)处理。

·R1=R2=510Ω是为防止因加表输出线较长/断路情况下,静电/电浪涌的焦耳能量烧毁HJ028输入级而加的,CC是消振电容,D1、D2的作用是输出软钳位,需要根据后级ADC的转换范围决定。

·这种结构从Ii端看,相当于加表的输出“虚接地”,有利于克服加表伺服电路过早饱和问题,同时相对于斯伦贝切公司的方案而言,不降低响应宽度。

·保证加表输出等于“虚拟地”的前提是运算放大器的驱动能力足够,且工作在线性区,HJ028具有输入阻抗高,输入失调电流小,输出电压范围宽,压摆率高,耐高温等优点,但HJ028的输出驱动能力不够,因此需引入HJ0002缓冲器提高驱动能力,HJ0002必须钳入运放环内才能达到高精度。

·AGND为后续ADC的模拟地,GNDi为加表的输出地。为了更好地清除Ii的共模噪声,一是不能粗暴地将AGND与GNDi用所谓的“地平面”短接!而且三轴正交装配的加表要有三个在加表引出端“分叉”的GNDi。

·HJ028、HJ0002HJ1107均能耐≥180℃高温,适合石油勘探仪器用,也能满足GJB597GJB2438的军品要求。

  石英挠性加速度计仍然是目前国内外公认的高精度、低温漂、低时漂、小热迟滞的惯性仪表,且在多个行业大量使用。我们真诚希望客户与供应方加强沟通,把这类加表用好,以提高仪器/装备的可靠性。

航晶微电子应客户要求,充分消化吸收日本JAE公司的JA-25GA石英挠性加速度计的经验。在加表的加工过程中引入微电子加工理念,有效的管控材料应力和加工应力,减小力矩器铜损,加双隔离环等措施,历时四年,研制成功性价比更符合中国国情的仿JA-25GA的石英挠性加速度计(顺便指出:JA-25GA已对中国禁运)

我们的命名为HJAF2000HT(大表)和HJAF3000HT(小表),目前国内已有四家客户在用。下图是实物图和尺寸图:

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HJAF2000MT外形尺寸图(1xiu).jpg
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HJAF3000HT外形尺寸图(1xiu).jpg
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