透射電子顯微鏡高精密可調基準源的設計

董全林，吳國增，王鵬飛，陳鶴，孟慶浪

（北京航天航空大學儀器科學與光電工程學院，微納測控與低微物理教育部重點實驗室，北京，100191）

0 引言

在很多數字邏輯電路、混合信號和模擬電路中都采用電壓基準源，因此了解基準源的工作原理和選擇方法，對系統的合理設計是一個較為重要的因素[1、2]。基準源本質就是高精密電源，通常采用耦合電感的方式來提高輔助回路的輸出穩壓精度[3、4]。該方法僅在一定程度上提高了輔助繞組的穩壓精度，但仍無法實現精確穩壓。目前實現多路穩壓的方式主要有4大類，輔助繞組采用線性穩壓方式、采用開關電源二次穩壓方式、采用同步開關或磁放大器的后置調節方式。在高精度集成電路系統中，低溫度系數、低工作電壓基準源的設計十分重要，基準電壓的溫度特性直接影響電路精度和性能[5、6、7、8、9、10]。高精密穩壓電源在很多應用于各種直流基準，基準源的穩定性對整個電子系統影響非常重要。為了更好的滿足各種不同的電子系統，可以設計出可調高精密直流電源[11、12]。

1 基準源在透射電子顯微鏡中的應用

在透射電子顯微鏡中需要高穩定度的可調恒流源，使電磁透鏡產生穩定可調的磁場，從而讓電子束更好聚焦從而減小象差。恒流源的基準源如圖1所示。

高壓電源的穩定性對電子顯微鏡分辨率產生影響，特別是當電源不穩定產生色差。在透射電子顯微鏡中影響高壓電源的穩定性影響很多，在電路結構中可以用表達式來表示高壓電源穩定性相關因素。

高穩定度高壓電源，基準電源、基準電阻和取樣電阻的穩定性是影響高壓電源輸出穩定度的直接因素，其中基準電壓源的穩定度設計至少優于高壓電源一個數量級。高壓系統如圖2所示。

圖1 線圈電源基準源

2 電路原理設計

本電路設計采用集成穩壓芯片LM317作為穩壓芯片，LM317是應用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調的特點。此外，還具有調壓范圍寬、穩壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優點。LM317是可調節3端正電壓穩壓器，在輸出電壓范圍1.2V到37v時能夠提供超過1.5A的電流，此穩壓器非常易于使用。LM317的輸入采用AD587輸出，采用可變電阻可以調整LM317輸出的大小，從而得到高精密的可調基準源，AD587代表了先進單芯片基準電壓源領域取得的重大進步。它采用專有離子植入嵌入式齊納二極管，并對高度穩定的薄膜電阻進行激光晶圓調整，從而能夠以較低的成本提供出色的性能。AD587的性能明顯高于大多數其它10 V基準電壓源。它采用工業標準引腳排列，因此許多系統都可以利用AD587迅速完成升級。基準電壓源設計采用嵌入式齊納方法，使噪聲和漂移均低于帶隙基準電壓源。該器件還提供降噪引腳，可進一步降低嵌入式齊納二極管產生的噪聲電平，電路如圖3所示。

圖2 高壓系統圖

圖3 基準源仿真電路

3 電路測試

電路焊接電路如圖4所示。

圖4 焊接電路

測試平臺由多功能直流電源提供15V工作電壓，安捷倫萬用表3458A對電壓數據進行采集，通過計算機進行記錄各個時間點的電壓數值。測試平臺如圖5所示。

圖5 測試平臺

通過安捷倫萬用表3458A來測試電源穩定度。在電源輸出為9V時，通過測試采樣得到一分鐘的波形圖，如圖6所示。

圖6 9V測試紋波

通過公式2，計算出9V輸出時在一分鐘之內的穩定度為3.96801321×10-5/min，電源穩定度是電源的峰峰值比上電源輸出平均值。

通過安捷倫萬用表3458A來測試電源穩定度。在電源輸出為4V時，通過測試采樣得到一分鐘的波形圖，如圖7所示。通過公式3，計算出4V輸出時在一分鐘之內的穩定度為3.96801321×10-5/min。

圖7 4V測試紋波

4 總結

本論文設計一款新穎高穩定的直流電源，穩定調節電壓在0V—9V 范圍內。穩定度高達 3.96801321×10-5/min。此電源的設計方法，在很多應用精密電源的情況下可以采用。