一種阻尼補償電路的研制

曹 艷

（陜西華經微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

該電路主要用于我國某型號軍用飛機的陀螺控制系統的姿態調整，為陀螺系統提供阻尼補償。這為配套本型號飛機儀表的國產化奠定基礎。由于電路的工作環境非常惡劣，所以對產品的外形尺寸、機械性能、溫度特性等有很高的要求。

隨著航海、航空儀器設備的迅速發展，對阻尼補償器產品在外形尺寸、參數精度、工作溫度范圍、質量等級等方面的技術要求也越來越高。因此，本著為整機提供更穩定、更可靠的產品，本著小型化、批產化和高可靠的設計原則，進行了阻尼補償器產品的研發，解決了相關領域的技術瓶頸，滿足了國防軍工用戶及未來市場的需求。

該電路采用厚膜混合集成電路工藝，使用厚膜基板多層印刷技術，全金屬密封封裝，體積小，重量輕[1]。

該電路的研制成功，具有良好的經濟效益。該產品首先可應用于航空領域工程，具有較大的市場空間，然后可以推廣到航海、坦克等領域的姿態控制中，為其陀螺系統提供阻尼補償，屬關鍵部件。

1 產品描述和分析

1.1 主要技術指標

供電電源有兩個，正電源VCC=+15 V±0.2 V；負電源VEE=-15 V±0.2 V。

外形尺寸為Max37 mm×21 mm×10 mm。

電特性包括7點，具體如下。

（1）放大倍數為3.5～5.5倍可調。

（2）高、低溫下，放大倍數穩定度為不大于1.2%。

（3）直流零位為不大于1 mV。

（4）高、低溫下，直流零位穩定度為不大于1 mV。

（5）陷波中心頻率為36 Hz，精度1%。

（6）高、低溫下，陷波中心頻率偏差不大于2%。

（7）直流差分輸出滿量程為±12 V。

1.2 產品外形尺寸

產品外形尺寸（見圖1），而圖中尺寸符號的數值如表1所示。

圖1 外形尺寸

1.3 產品的設計原理

圖2為產品設計原理框圖。

圖2 原理框圖

由圖2可知，產品主要由7個功能電路組成，即交流前置放大、解調電路、低通濾波1、調零電路、帶阻濾波、低通濾波2及差分放大輸出電路。

表1 圖1中尺寸符號的數值

這種阻尼補償電路主要由七部分電路組成，每一部分作用不同。筆者將結合電路原理框圖具體說明其工作原理。

第一部分為交流前置放大電路輸入的1 800 Hz的正弦信號，經前置放大電路進行1.2倍放大后，輸出到下一級解調電路。

第二部分為解調電路。首先，7 V、1 800 Hz的激磁信號經過波形變換電路轉換成方波，從而控制模擬電子開關的通斷。低電平模擬開關導通，高電平則截止。然后通過高速精密模擬開關將該部分電路輸出的1 800 Hz的正弦信號轉換成直流信號，進入下一部分低通濾波1電路。

第三部分為低通濾波1電路。經過解調電路部分解調后得到的直流信號，通過低通濾波1電路進行初步平滑濾波，然后輸出到下一級電路。

第四部分為外部調零電路。對低通濾波1電路的同相輸入端進行外部調零。這減小了集成運放的前級放大電路輸入失調電壓對輸出電壓造成的影響。

第五部分為帶阻濾波電路。將中心頻率在36 Hz左右的雜波信號，通過帶阻濾波電路部分進行濾除。

第六部分為低通濾波2電路。這部分電路可以進一步濾除電路中的噪聲信號。

第七部分為差分放大電路。電路的最后一級差分放大輸出電路，采用跟隨防震蕩電路，使整個電路信號傳輸失真度小，線性度高。

2 電路的平面轉化和厚膜化工藝

分析電路的技術指標可知，該電路的陷波中心頻率及其偏差很小，故實現該指標的帶阻濾波器的元件選取就成為關鍵。

首先進行平面化設計。該電路較為復雜，各類元器件共計35支，而外型尺寸只有36 mm×20 mm×9 mm，且基片采用激光劃片26齒，去掉26齒所占面積，實際基片可用面積僅為34 mm×18 mm。要把這么多元件集成在34 mm×18 mm的基片上是不可能的，若采用一般單層裝配工藝根本無法實現，但由于高度有空間，因而可以充分發揮先進的厚膜混合集成工藝技術優勢，采用介質隔離布線工藝及雙層基片結構，以提高組裝密度。把從低通濾波2以前的單元電路全部組裝到上層基片上，低通濾波2及外部調零電路和差分放大電路則組裝在下層基片上。這樣可以先進行下層基片的測試，待合格后再組裝上層基片，然后進行全電路的半成品測試。根據這樣的設計思路，進行了電路的平面轉化[2]。

產品中的電阻全部采用厚膜印刷電阻。由于本電路要實現信號傳輸，其失真小，線性度高，無功率，電阻的精度和穩定性要好，所以31個電阻全用厚膜工藝印制成膜電阻。膜電阻經過嚴格老化篩選，以保證電阻的穩定性。阻值調整采用先進、精度高的激光機調阻，以保證其阻值達到0.5%的精度。同時，還需保證其溫度系數小于100 ppm/℃，以確保指標達到要求。

厚膜技術的應用，有效縮小了電路的體積，提高了電路的穩定性，使產品更加成熟可靠。

3 產品的持續改進過程

產品送樣，用戶在詳細測試和整機配套試用后，發現了幾只問題產品。這引起了筆者的高度重視，隨后立即著手進行仔細的分析和舉一反三的改進。

問題產品1：產品在機械振動試驗中管腳斷裂。

導致產品在機械振動試驗中引出腳斷裂的原因是產品底座的引線較細，只有Φ0.45，且除了產品所需要的26個引出腳外，無其他任何加固管腿。

針對此問題，通過討論研究，提出了涂膠法、卡箍法及更改底座設計三種解決方案。與用戶溝通后，綜合考慮產品安裝要求、使用環境、外形尺寸等條件，最終決定采取更改底座設計的方案。在產品外形尺寸完全不做改動的情況下，將原來管腳由Φ0.45加粗到Φ0.6。同時，在底座增加四個Φ1的固定柱，加強產品在機械振動試驗過程中的牢固性、可靠性。

方案的驗證情況具體如下，后續給用戶提供了60只產品，使用新的底座后，再反復進行機械振動試驗，故障現象消失。

問題產品2：產品輸出零位超差。

得到用戶反饋后，立即組織相關人員進行分析，發現用于產品調零的一個二極管引腳虛焊，導致產品輸出零位電壓超差。

針對該問題的改進措施包括3個，具體如下。（1）進一步加強員工的技能培訓，提高員工的工作責任心和質量意識，杜絕類似問題再次發生。（2）加強執行采購元器件進廠檢驗工序，依據Q/CC20197B.11—2008企業標準，剔除不合格品。要求對用于此產品的該二極管，使用前在30倍放大鏡下進行100%外觀檢查，對各引腳進行仔細觀察，若有歪曲及引腳高低不平的器件，判斷為不合格品。（3）加大生產過程中各工序的質量檢驗力度，將之前用于檢查的10倍放大鏡提高到30倍以上。

嚴格采取這些措施，后續給用戶提供的產品，經用戶使用，再無出現類似質量問題。

4 產品的特點

產品的特點包括5個，（1）產品精度高、指標一致性好、工作溫度范圍寬、性能穩定；（2）輸出級采用跟隨防振蕩電路，信號傳輸過程中的失真小、線性度高；（3）厚膜電阻使用激光機調阻，片電容采用一類介質電容，精度高、一致性好、工作穩定，電性能指標的高低溫偏差很小；（4）體積小、重量輕、底座另加固定柱，抗振動沖擊能力增強，機械可靠性高；（5）雙列直插，全金屬密封結構封裝，抗耐濕、防鹽霧，可插拔性能好，使用方便。

5 結 論

文中所述產品在國內處于領先地位，可以替代國外同類產品。該電路主要應用于航海、航空、坦克等領域的姿態控制中，為其陀螺系統提供阻尼補償，具有廣泛的應用前景。