温漂特性问题分析实验 改善HJG598的温漂与输出噪声

一   概 述   

在信息采集系统中，传感器的应用通常处于系统的前端，即其为检测和控制系统之首，它提供给系统处理和决策所必须的原始信息，因此，传感器的精度对整个系统是至关重要的。在位移、速度及加速度的测量系统中，经常会使用灵敏度高、线性度好的差动变压器式传感器，且差动变压器式传感器目前已经拥有成熟的配套激励和解调集成电路，其中ADI公司的AD598和AD698是目前市场上应用相当广泛的LVDT信号调理电路。为推进配合集成电路国产化配套工作，航晶公司当前已推出了一款完全国产化的HJG598 LVDT激励解调器，能够做到对进口器件AD598的完全国产化功能替代，可以实现对传感器的激励与解调的功能，并已完全推向客户进行国产化替代AD598的使用，在国内十余家客户的供应上都已实现成熟的批量供货。

航晶公司秉持着对客户负责的态度，不仅在客户需求的国产化新型产品研发上投入十足的精力，对于已经成熟配套的产品也会根据客户的应用实践进行技术支持，使得新产品的研发与老产品的配套都在随着航晶公司的进步而一同前进。近期有客户提出新需求，因系统对于传感器的采集精度在全温环境下精度更高、温漂更小，希望将器件HJG598的精度与温漂再优化，接收到客户诉求后，航晶公司立刻组织研发人员对客户的器件应用环境与应用数据进行探讨与分析，并对器件的应用条件与参数进行改善，使得整个产品改进能够满足客户需求。也有客户提出在应用系统中，发现器件解调部分的响应速度相比传感器的变换速度慢的情况，航晶公司器件进行原理性的分析，探讨影响解调响应速度的因素并对此问题进行改善。

二

温漂特性问题分析

客户反馈当前HJG598的差值输出信号在系统采集中显示在全温环境下温漂大，至采集精度误差明显。希望对HJG598应用进行调整以使得系统采集到的信号温漂较小，提高整个系统的采集精度。

应用相同的外围元件参数进行实验验证，对多只器件HJG598的多个信息点进行检测分析以判断差值输出温漂大的根本原因，以能够从从源头上直接判断并改善优化温漂问题。对器件HJG598的激励信号输出、和值输出与差值输出三路输出电进行检测，在常温、高温和低温三种温度环境下进行参数记录并计算温漂值：

初始实验条件：

供电VCC=+15V,VEE=-15V,激磁信号频率固定设置1800Hz。

 

器件HJG598由激励部分和解调部分两部分组成，器件三路输出的温漂也主要来源于这两部分，激磁功能部分的温漂不仅能影响激磁驱动信号幅度的变化，也会与解调部分温漂共同决定最终的和值输出幅度变化和差值输出幅度变化。

通过上述实验数据进行分析：

在3种不同激励信号幅度的工作状态下，器件输出的温度特性表现为不同的状态。

在6.5Vrms的激磁信号工作时，激磁信号的的温漂较大，呈正温度特性，在高温环境和低温环境下的变化特性一致，激磁信号幅度基本是随着温度的升高呈线性增大的现象的。差值输出幅度也是随着温度的增加而增加的，但有明显的在低温环境下变化幅度稍大于高温环境的变化幅度的现象，且差值输出变化趋势与激磁信号幅度变化趋势基本一致。和值输出的温漂变化最大并随温度的增大呈增大的趋势。

在5Vrms的激磁信号工作时，激磁信号的的温漂很小，而差值输出的温漂变化趋势与激磁信号温漂变化趋势相同也表现的很小。和值输出的温漂数据与6.5Vrms激励下的温漂参数基本一致，仍然表现的较大。

在3Vrms的激磁信号工作时，激磁信号的的温漂较大，呈负温度特性，差值输出的温度特性与激磁信号的温度特性变化仍然一致，而和值输出的温漂仍然较大。

通过三次不同激励幅度的实验验证能够判断出是因为激磁信号的变化大致差值输出发生相应的变化，而解调部分对差值输出基本无影响，但对和值输出由明显的随温度增加有正温漂变化的影响。即只要能够将激磁信号的温漂减小就能够减小最终所需要的差值输出电路的温漂。

在不同激磁幅度的工作下，激磁信号与差值信号输出的温漂特性也是有差异的。

典型应用图中的CT1与CT2决定激磁信号频率，电阻RSCL为反馈电阻其值大小决定了激磁信号的幅度，RF1影响和值输出幅度大小，RF2影响差值输出幅度大小。根据只有RSCL阻值决定激磁信号幅度大小和激磁信号温漂基本是随着温度变化而呈线性变化的特性，即可以将RSCL回路做成一个随温度有固定变化的网络以对器件内部激磁部分温漂进行补偿，分析可以利用二极管的温度特性对RSCL网络进行补偿以减小器件激磁信号的正温漂特性，连接方法参考图3和图4。此方法也能够对具有较大正温度特性的和值输出进行补偿。

如图所示：环境温度的升高将会导致半导体的本征激发能力增强，即二极管PN结内的少子浓度上升，反向饱和电流IS增大(由少子漂移运动能力决定），进而使得正向电流增大，空间电荷区变窄，导通电压减小。而这个导通电压变小的特性与温度的变化基本是线性的：大约每1℃的上升将会使得二极管导通电压下降2mV。二极管的导通电压变化与温度的变化是有负向线性关系的。HJG598的反馈回路应用二极管进行补偿后，可预见二极管的温度特性能够对激磁信号幅度温漂进行补偿。

此方法可以对正温度特性模式的器件进行温漂补偿，由于器件在低激磁信号幅度工作的情况会产生的负温度特性的情况无法补偿，因此一般不推荐器件在低幅度情况下工作的，因为器件HJG598的后端解调部分输入级的输入阻抗较低只有2KΩ，即对于输入信号的驱动能力就有要求，输入信号幅度低时导致器件的驱动能力低就会影响解调部分的采集精度，而且低幅度工作下的传感器其对外部磁场的抗干扰能力弱与高幅度的工作下，因此我们一般都推荐客户应用在高激磁幅度信号的工作模式。

添加二极管后应用与原6.5Vrms激励情况的相同的实验条件重新进行试验并记录数据，具体原理图参考图5，对温漂改良方法进行验证。

能够观察到激磁信号与差值信号的温漂都得到了减小，基本小于100ppm/℃，和值输出的温度特性也得到了明显改善，温漂参数也只有150ppm/℃以下，即二极管的补偿有着改善器件的温漂特性的作用。但是此时和值输出的计算公式在添加二极管改善温漂后也发生了变化，计算公式将修正为：

计算公式中的VD(ON)为应用的二极管的正向导通压降，利用导通电压的温度特性以对和值输出的温漂变化进行了补偿。从计算公式中可以得出此二极管温度补偿值是在原和值输出上进行加减法处理的，即不同幅度和值输出情况下的补偿结果也将是不一致的，根据当前的实验分析，和值输出目前设置在3V-4V的量程内的补偿效果更好。

三  

器件解调响应速度与输出噪声问题分析

  

有客户反馈器件解调部分的输入信号-输出信号的建立响应时间较长，不能满足后端采集系统的工作要求，希望器件的响应时间能够减小。

影响器件解调部分响应时间的因素主要在于器件内部集成的整流电路网络滤波电路元件参数与输出级滤波网络时间参数的设置。一般情况下器件配套使用的位移传感器的工作频率较低，激励信号通常都为1.8KHz或3KHz，这使得当前器件后级内部集成的滤波网络的时间常数设置的较大，以能够得到一个失真度低、交流残余量小的直流电压信号输出，即将无用的器件输出噪声信号降低，所以要想使得器件的解调部分响应速度变快，必须调节减小整流电路滤波网络的时间参数或输出级滤波网络的时间参数，但这样也将会使得输出级的交流残余量信号增大。

  通过对器件内部的滤波网络时间常数进行调节，验证时间常数、响应时间与输出交流参与信号的对应关系。

上图为修改整流回路时间常数前后的对照试验，黄色波形为激励信号，蓝色波形为差值输出A-B通道的交流残余信号。能看到原状态时间常数大的器件交流残余量大约有10mV左右，而减小时间常数后的器件交流残余量大约有20mV，再对两只器件的解调部分输入信号-输出信号建立时间进行测试。

上图中黄色信号为解调部分的输入信号，蓝色信号为输出信号，能够观察到原状态时间常数大的器件从输入信号产生至输出信号完成输出这一段信号的建立时间有20mS左右，而更改后时间常数小的器件其信号的建立时间只有4mS左右。即在减小了内部整流电路的时间常数设置后，器件HJG598解调部分的响应速度增大了，但其直流输出信号上的交流残余量值也增大了，器件的输出噪声电压增大了，即器件解调部分响应时间的快慢与输出噪声电压大小是负相关的。如要想器件的响应时间加快，必须在器件内部调节减小整流网络的时间常数，但这也会导致器件的输出噪声电压增大。

器件的工作频率也与需求调试的时间常数大小和输出噪声电压要求均相关，器件的工作频率发生改变，则将交流信号整流滤波成直流信号的滤波网络参数也将会发生变化。例如可以通过增大器件的工作频率，则在得到相同或更低输出噪声电压的情况下，整流滤波网络的时间常数也可以进行缩小，这样就能得到响应速度更快、输出噪声电压更小的特性。

四   结论   

4.1  温漂问题结论

通过对器件工作原理与实验数据进行分析总结，提出了一种改善器件温漂特性的应用措施并进行了实验验证，验证了在激磁信号反馈回路添加温偿二极管能够有效的减小整个器件HJG598的激磁与差值输出的温漂，在和值输出反馈电阻回路添加二极管也能够对和值输出的温度特性起到改善作用，即利用二极管的开启电压的温度特性进行温漂补偿是一种有效的实施措施。

4.2解调部分响应速度与输出噪声关系结论

通过实验找到器件解调部分的输入信号-输出信号的建立响应时间较长的根本原因，并对工作频率、响应时间与输出噪声电压的关系进行了探讨与验证，明确了其之间相互影响的关系，并提出了减小响应时间、提高响应速度的措施。