集成函數(shù)發(fā)生器8038芯片內(nèi)部電路的驗(yàn)證與分析

摘要：在介紹ICL8038工作原理及管腳功能的基礎(chǔ)上，對其內(nèi)部電路進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出減小波形傳輸時(shí)間的方法。通過OrCAD 9．2對其內(nèi)部電路進(jìn)行晶體管級仿真，其結(jié)果表明，在觸發(fā)器模塊電路中采用抗飽和晶體管可提高電平翻轉(zhuǎn)速度，且輸出波形的頻率和占空比可由電流或外圍電阻控制。進(jìn)一步分析證明，ICL8038具有精度高，誤差小等優(yōu)點(diǎn)，因此在各種工業(yè)自動化控制中具有巨大的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：ICL8038；占空比；信號源；頻率

0 引言
    函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038是一種大規(guī)模集成電路，能產(chǎn)生精度較高的正弦波、方波、矩形波，鋸齒波等多種信號。在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途，如：通信、廣播、電視系統(tǒng)需要射頻(高頻)發(fā)射；工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器，而這些應(yīng)用對輸出波形的頻率和占空比都需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)，在載波發(fā)射中，對電平的翻轉(zhuǎn)速度也有更高的要求。為此，本文對ICL8038的內(nèi)部芯片電路進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過OrCAD軟件對電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，通過搭建電路，對其中觸發(fā)器電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，并提出了減小波形傳輸時(shí)間的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在觸發(fā)器模塊電路中，采用抗飽和晶體管可提高電平的翻轉(zhuǎn)速度。

1 ICL8038及EDA軟件OrCAD 9．2介紹
    目前實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器的方法國內(nèi)外主要有4種：用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器；用晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作的函數(shù)發(fā)生器；利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器；利用專用直接數(shù)字合成DDS芯片的函數(shù)發(fā)生器。由于利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器能產(chǎn)生多種波形，可達(dá)到較高的頻率，且易于調(diào)試，因此本文的研究則基于此方法。
    電子設(shè)計(jì)自動化軟件(OrCAD 9．2)是OrCAD公司于2000年5月推出的產(chǎn)品，它采用Top-down設(shè)計(jì)策略，增加了PSpice的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了人工智能布線，加強(qiáng)了技術(shù)經(jīng)濟(jì)管理(CIS)內(nèi)容，不僅繪圖準(zhǔn)確，美觀清晰，功能強(qiáng)，操作簡便，而且可給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此在國內(nèi)外受到越來越多用戶的歡迎。
    OrCAD 9．2主要包括3部分內(nèi)容：原理圖輸入、器件信息管理系統(tǒng)OrCAD Capture CIS 9．2；模擬數(shù)字混合電路分析與設(shè)計(jì)OrCAD 9 PS-pise 9．2；印制版電路圖設(shè)計(jì)OrCAD Layout 9．2。OrCAD PSpice的特點(diǎn)是集成度高，且具備完整的Probe觀測和完整的仿真功能；適合模塊化和層次化設(shè)計(jì)；可模擬行為模塊；還具有數(shù)字、模擬仿真功能，以及元件庫擴(kuò)充功能。

2 ICL8038工作原理及內(nèi)部電路
    ICL8038工作原理及典型應(yīng)用如圖1所示，其內(nèi)部電路由恒流源電路，電壓比較器I、Ⅱ，觸發(fā)器電路，緩沖器電路和正弦變換器電路組成。工作原理如下：利用恒流源對外接電容進(jìn)行充、放電，產(chǎn)生三角波(或鋸齒波)，經(jīng)緩沖器I從第3腳輸出；由觸發(fā)器獲得的方波(或矩形波)，經(jīng)緩沖器Ⅱ從第9腳輸出；再利用正弦波變換器將三角波變換成正弦波，從第2腳輸出；改變電容器的充、放電時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)三角波與鋸齒波、方波與矩形波的互相轉(zhuǎn)換。

    ICL8038構(gòu)成函數(shù)波形發(fā)生器時(shí)，將7，8兩腳短接。管腳8為調(diào)頻電壓輸入端。振蕩頻率與調(diào)頻電壓成正比，其線性度約為0．5％。管腳7為輸出調(diào)頻偏置電壓，可作為管腳8的輸入電壓。如圖1所示，通過調(diào)節(jié)外接電阻RA和RB可控制電流源I1和I2的大小，繼而控制電容充放電的時(shí)間。電容的充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2分別為：
    

    由式(1)和式(2)可得：當(dāng)RA=RB時(shí)，電容的充放電時(shí)間相等，占空比為50％的三角波，其占空比為：
    
    式中：RA和RB的阻值宜在U1／I1～U1／I2范圍內(nèi)(U1指管腳6與管腳8之間的電壓；I1=1 mA；I2=10 μA)，且RB應(yīng)小于2RA。
    當(dāng)RA=RB=R時(shí)，電容兩端的電壓頻率為：
   

3 ICL8038內(nèi)部電路模擬及分析
    本文將借助OrCAD 9．2對Intersil公司生產(chǎn)的ICL8038的內(nèi)部電路進(jìn)行深入模擬和分析。首先將把整體電路分解成具有獨(dú)立功能的幾個(gè)部分，進(jìn)而分析每一部分的工作原理和主要功能，然后得出各部分電路之間的聯(lián)系，借助OrCAD模塊化建模方式，將各部分電路組合聯(lián)系起來，仿真分析出整個(gè)電路所具有的功能和性能特點(diǎn)。由于ICL8038內(nèi)部電路比較復(fù)雜，在分析仿真時(shí)，把整個(gè)電路分解成了5個(gè)功能相對獨(dú)立的部分，并在OrCAD 9．2中采取模塊化搭建電路。其中包含恒流源模塊(CURSOURCES)、電壓比較器模塊(COMPARATOR)、觸發(fā)器模塊(FLIP-FLOP)、緩沖器模塊(BUFFER)、正弦變換器模塊(SINE)。本文針對ICL8038在射頻載波應(yīng)用中如何減小波形傳輸時(shí)間、提高輸出波形頻率的關(guān)鍵問題，對觸發(fā)器模塊進(jìn)行了詳盡分析和研究。

4 觸發(fā)模塊內(nèi)部電路分析
    ICL8038集成電路的觸發(fā)模塊如圖2所示。觸發(fā)器的輸出端Q作為恒流源模塊中電子開關(guān)S的輸入，當(dāng)Q為高電平時(shí)，開關(guān)開啟，使電容放電；當(dāng)Q為低電平時(shí)，開關(guān)關(guān)閉，使電容充電。觸發(fā)器的輸出端Q通過緩沖電路作為方波信號產(chǎn)生輸出，目的是為了隔離波形發(fā)生電路和負(fù)載，使方波輸出端的輸出阻抗足夠低，以增強(qiáng)帶負(fù)載能力。

 
    ICL8038內(nèi)部觸發(fā)器采用抗飽和電路，從而提高了工作速度。由于雙極性晶體管導(dǎo)通時(shí)工作在深度飽和狀態(tài)是產(chǎn)生傳輸延遲時(shí)間的一個(gè)主要原因。如果能使雙極性晶體管導(dǎo)通時(shí)避免進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，那么傳輸延遲時(shí)間將大幅度減小。所以在高速門電路中，采用了抗飽和晶體管(或稱為肖特基晶體管)。本文中觸發(fā)器采用了Philips公司的PZTM1101抗飽和晶體管(如圖2中的Q25～Q29)。
    抗飽和晶體管是由普通的雙極型晶體管和肖特基二極管(schottky barrier diode，SBD)組合而成的。和普通的PN結(jié)型二極管不同，肖特基勢壘二極管是由金屬和半導(dǎo)體接觸形成的，它的制造工藝和TTL電路的常規(guī)工藝完全相容，以至無需增加工藝步驟即可得到SBD。由于SBD的開啟電壓很低，只有0．3～0．4V，所以當(dāng)晶體管的b-c結(jié)進(jìn)入正向偏置以后，SBD首先導(dǎo)通，并將b-c結(jié)的正向電壓鉗在0．3～0．4V。此后，從基極注入的過驅(qū)動電流從SBD流走，從而有效地制止了晶體管進(jìn)入深度飽和狀態(tài)。但是，采用抗飽和晶體管也會帶來電路功耗增大的缺點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中，通過對觸發(fā)器電路模塊使用普通晶體管2N3904與抗飽和晶體管PZTM1101分別進(jìn)行測試，得出如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過對結(jié)果分析比較可得出：在觸發(fā)器模塊電路中，采用PZTM1101替代2N3904可使觸發(fā)器的電平翻轉(zhuǎn)速度提高1 000倍，從而達(dá)到減小波形傳輸時(shí)間和提高輸出波形頻率的目的。

5 ICL8038典型應(yīng)用電路的模擬及仿真
    通過OrCAD 9．2對圖1電路進(jìn)行模擬仿真。當(dāng)外接電阻RA=RB=10 kΩ時(shí)，仿真波形如圖3所示。橫軸顯示仿真時(shí)間，縱軸顯示電壓值。V(3_TRIANGULAR)表示鋸齒波，V(2_Sine)表示正弦波，V(9_SQUARE)表示矩形波。仿真結(jié)果顯示周期為100μs，占空比為50％。占空比計(jì)算公式參考式(1)～(3)。當(dāng)外接電阻RA=10 kΩ，RB=8 kΩ時(shí)，仿真波形如圖4所示。橫軸顯示仿真時(shí)間，縱軸顯示電壓值。V(3_TRIANGULAR)表示鋸齒波，V(2_Sine)表示正弦波，V(9_SQUARE)表示矩形波。仿真結(jié)果顯示周期為83．3μs，占空比為60％。占空比計(jì)算公式參考式(1)～(3)。
由圖3、圖4仿真波形可以得出：改變外接電阻可調(diào)節(jié)輸出波形的占空比和頻率，且頻率在0．001 Hz～300 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，步進(jìn)為0．1kHz，波形的占空比在2％～98％范圍內(nèi)可調(diào)。波形穩(wěn)定，無明顯失真。

6 結(jié)語
    通過OrCAD 9．2對電路的模擬仿真可以看出，幾種波形均能準(zhǔn)確產(chǎn)生。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，觸發(fā)器模塊(FLIP～FLOP)中Q25～Q29采用Philips公司的PZTM1101抗飽和晶體管。抗飽和晶體管能使導(dǎo)通時(shí)避免進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，使傳輸延遲時(shí)間大幅度減小，所以采用抗飽和晶體管構(gòu)建的觸發(fā)器模塊具有很快的電平翻轉(zhuǎn)速度。仿真結(jié)果表明，該電路具有精度高，誤差小等優(yōu)點(diǎn)，輸出波形的頻率和占空比均可由電流或外圍電路控制。