差變專用集成電路SF5520的原理及應用

SF5520是一種專門同差動變壓器配套使用以進行測量與轉換的單片式集成電路，它上有功耗低、體積小、安裝容易、使用方便等特點。SF5520與差動變壓器配合使用所組成的測量系統(tǒng)能在化電路的同時顯著提高系統(tǒng)性能。它與SJ5520、NE5520性能相同，封裝形式也一致，可以直接互換。SF5520能提供電感傳感器所必需的低失真穩(wěn)定正弦波激勵電源，并能對傳感器的輸出信號進行高精度的相敏整流處理。同時，芯片內部相對獨立的輔助運算放大器還可為實際應用增加更大的靈活性。

1 SF5520的引腳功能

SF5520采用14腳雙列塑封，其管腳排列如圖1所示。各引腳的功能如下：

1腳：輔助運放輸出；

2腳：輔助運放同相輸入；

3腳：輔助運放反相輸入；

4腳：內部相敏整流器輸入；

5腳：內部相敏整流器輸出；

6腳：內部相敏流器參考信號輸入；

7腳：接地；

8腳：二分之一基準電壓；

9腳：信號發(fā)生器輸出；

10腳：信號發(fā)生器輸出（與9腳反相）；

11腳：內部運放反相輸入端；

12腳：基準電源；

13腳：信號發(fā)生器外接電容；

14腳：電源。

2 SF5520的結構原理

圖2是SF5520的內部等效電路框圖，它由濾形發(fā)生器、相敏整流器、偏置電路及輔助運放組成。圖中，芯片內部的電阻除R7、R8為5kΩ以外，其余均為10kΩ。

SF5520內部有一個諧波含量小于5%且具有一定負載能力的正弦波信號發(fā)生器，其輸出可用于對差動變壓器初級繞組提供驅動。它由三角波信號發(fā)生器B1、波形轉換電路B2及信號輸出級A1、A2等組成。三角波信號發(fā)生器的振蕩頻率與外接電容C1有關，通過改變該電容值可使輸出信號頻率在1~20kHz之間調節(jié)。振蕩頻率f與外接電容C1之間存在下列關系：

f=110/C1

式中：f的單位是Hz，C1的單位是μF。

SF5520內部的相敏整流電路由運放A3、A4及可控電子開關B4組成。其中由運放A3組成電壓跟隨器，以提高相敏整流電路的輸入阻抗；A4及電阻R1~R4組成換向放大器，其工作狀態(tài)由電子開關B4控制；可控電子開關由輸入信號控制，輸入信號的不同極性可導致電子開關的導通與截止。

偏置電路（B3）可為SF5520內部各單元電路提供穩(wěn)定的工作電壓，以保證電路能穩(wěn)定可靠地工作，同時還確保輸出信號的動態(tài)工作范圍。

此外，SF5520內部還設置一個獨立的運算放大器（A5），該放大器可為實際應用提供極大方便。

3 SF5520的技術參數(shù)

SF5520的主要技術參數(shù)如下：

振蕩頻率：1~20kHz，由外接電容確定。

輸出信號失真：小于5%，典型值4%。

輸出電流：典型值15mA，最小值8mA。

外接負載阻抗：小于1kΩ。

輸入電壓：最小值4.5V，最大值5.5V。

輸入電流：典型值300μA，最小值100μA，最大值1mA.

線性誤差：典型值0.05%，最大值0.1%。

單電源：5~20V；雙電源：2.5~10V。

電源電流：典型值15mA，最大值20 mA。

基準電壓：最小值5V，最大值與電源電壓相同。

增益：典型值為100000倍。

輸入失調電壓：最小值-10 mA，最大值+ 10mA。

輸出電壓擺幅：最小值1.5V，最大值為電源電壓-1.5V。

輸出短路電流：典型值50 mA。

典型功耗：小于220 mW，極限耗散功率為840 mW。

環(huán)境溫度：0~70℃。

存儲溫度：-65~125℃。

4 SF5520的應用電路

差動變壓器式傳感器屬于互感式傳感器。它本身是一個變壓器，其原邊是一個繞組接入激勵信號，副邊有兩個相同的繞組反向串接以獲得輸出信號。鐵芯的一端與被測物體連接，當被測物體移動時，就會因鐵芯的移動使逼邊兩繞組與原邊繞組的互感不同而引起輸出信號變化。將SF5520與差動變壓器配合使用可組成電動執(zhí)行器中的位置發(fā)送器，其電路十分簡單，且調試方便，性能優(yōu)良。圖3是一種可接浮地負載的位置發(fā)送器電路，圖中，R3、C2組成移相電路，其作用是使相敏整流器的參考信號（差變的激勵信號）與輸入信號（差變的輸出信號）相位一致，從而改善電路的性能，R3的參考值為20k℃,C2的參考值為0.02μF。R2、C1組成無源濾波電路，用于對相敏整流器輸出信號加以濾波。輔助運放A5可與調恒流管CRD等可組成V/I轉換電路，可對相敏整流器的輸出信號進行轉換，以輸出0~10mA的直流電流作為位置發(fā)送器的輸出信號。由圖可知：

（IL+IH）（R0+RWL）=V5

IL=[V5/（R0+RWL）]-IH

式中，V5為相敏整流器輸出端5腳的電壓，IH為可調恒流管CRD的輸出電流。由上式可知，改變IH可使電路的輸出電流為零，因此，調節(jié)RWO可調節(jié)電路的輸出零位，而改變電閏器RWL可調節(jié)電路輸出電流的量程。圖3電路能輸出0~10mA的電流信號，可作為II型儀表中電動執(zhí)行器的位置發(fā)送器。

在圖3電路中，由于位置發(fā)送器的輸出端負載不能接地，這給某些應用帶來不便。一種能對地輸出0~20mA電流信號的位置發(fā)送器電路如圖4所示，該電路既可用于II型儀表，也可用于III型儀表。圖中，由SF5520內部輔助運放及電阻、電容等元件組成的二階有源濾波器，可對相敏整流器的輸出信號進行更有效的濾波，從而改善電路性能。由雙運放LM358（A6、A7）組成的V/I轉換電路，可將相敏整流器的輸出電壓轉換電路信號，輸出的直流電流信號可接地負載。電位器RW用來調節(jié)輸出電流的零位，改變電阻R0可調節(jié)輸出電流的量程。

在上述應用電路中，差動變壓器的激勵信號的采用電壓信號，這種方法的主要缺點是在環(huán)境溫度發(fā)生變化時會產生測量誤差。

由于差動變壓器繞組的阻抗在環(huán)境溫度變化時也發(fā)生變化，因此，差動變壓器采用電壓源激勵將導致其傳遞函數(shù)的變化，從而產生測量誤差。改進的方法是差動變壓器采用電流源激勵，其電路如圖5所示。

圖中，將SF5520的A1接成反相放大器，將負載兩端電壓VL反向后送到芯片的10腳，即由A2構成反相放大器的輸入端，從而組成電壓控制電流電路。為使差動變壓器的初級繞組不含直流分量，芯片應采用雙電源供電，使電流源為雙向輸出電流源。