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HP34401A的模拟开关与预充电电路 参考HP34401A、HP3456A、HP3478A的维修手册
一、模拟开关技术
A.原文资料翻译
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8-33.Fet Switching Technique.Thecomparators that bias the Fet switches on or off have open collector transistoroutputs.These outputs are connected via 100k ohm pull-up resistors to theoutput levels of either Gate Bias Amplifier #1 or #2,except for U104b and U104c(see Figure 8-5 Comparator/Fet-Switchcircuit).With the +2 volt reference applied to its negative input terminal,alow logic input signal will cause the comparator's output to be driven to -18Vand the Fet switch will be off(refer to Table 8-2).With a high logic inputsignal,the comparator's output transistor is turned off and its output willtherefore rise to the pull-up voltage level(usually the input signal level).TheN-channel Fet swtich will be closed with this pull-up voltage applied to itsgate.
8-34.The pull-up resistors forU104b and c are connected to ground,thus their outputs will rise to ground whenthey are turned off.Note that in some cases the +2 volt reference is applied tothe positive terminal.Comparator operation will then be exactly opposite ofthat just described.Table 8-2 lists all of the normal comparator inputlevels,comparator outputs,and resultant Fet switch state.The 10 k ohm resistorsconnected to the gates of the Fet switches along with the stray capacitance actas low pass filters to prevent pickup and rectification of stray AC signals.
翻译：
8-33.Fet开关技术：施加给Fet并使其打开或关闭的偏置电压，由具有开漏输出功能的比较器提供。比较器的输出通过一个100k的上拉电阻，然后连接到栅极偏置放大器#1和#2的输出端（见图8-5）。比较器的反相端接+2V电压，当同相端输入的逻辑信号低于此电压时，比较器输出为-18V电压，Fet开关将会断开（参考表8-2）；当同相端输入的逻辑信号高于+2V时，比较器内部的输出三极管为断开状态，所以比较器的输出为高阻，输出电压值为其上拉电压值（一般为Fet开关的输入信号的电压值）；N-沟道的Fet开关在此电压驱动下将会导通。
8-34.连接到U104b和U104c的上拉电阻式是接地的，所以当他们导通时，栅极驱动电压为0V。注意：在某些情况下，+2V的比较电压是接到比较器的同相端而不总是接到反相端，因此比较器的输出也是和之前描述的相反。表8-2列出了所有比较器输入电压，输出电压，Fet的断开、导通情况。Fet栅极接入一个10k电阻，其与杂散电容一起起到低通滤波器的作用，以阻止杂散的交流耦合信号。
比较器的输入 | 比较器输出 | Fet开关 | 同相端 | 反相端 | 0V | +2V | -18V | 断开 | +5V | +2V | 上拉电压 | 导通 | +2V | 0V | 上拉电压 | 导通 | +2V | +5V | -18V | 断开 |
表 8-2
8-35. Gate Bias Amplifier #1(GB1).GB1,a carbon copy of the input signal being measured,is fed to manyof the input switching circuits for signal conditioning purposes.The Gate BiasAmplifier(A20,Q120 and U105)supplies a gate bias voltage for the Fet switchesto make the gate-to-source voltage equal to zero during the time the Fetswitches are on.This amplifier has unity gain and uses a Fet input a preventloading the input signal source.Output from the bias amplifier is coupledthrough 100k resistors to the gates of the input switching Fets.
8-36. Charge Conditioning Circuits. When the instrument goes thru an auto zero cycle,stray capacitancecauses inaccurate measurements and/or noise.The charge conditioning circuitsare designed to reduce these errors.Charge conditioning circuit are used in theinput switching stages to prevent capacitive loading of the input signals andensure accurate readings when autozero is on.These circuit consist of a chargedump adjustment,charge correction adjustment,and precharge stage.Variableresistor R148,the charge dump adjustment,provides DC charge cancellation at thesumming node going to the source of Q103.Variable resistor R147,the chargecorrection adjustment,provides AC charge cancellation at the node connected tothe drain of Q103.Each of these two circuit are capacitive coupled to theirrespective nodes via a printed circuit ring around a "Tefloncloverleaf" solder tie-point.The Teflon insulator serves as the capacitordielectric while the P.C. ring and cloverleaf tie-point serves as the capacitorplates.The precharge circuit uses GB1 to charge stray capacitances(at summingnode for the input amplifier)when Fet switch Q102 is closed by U104a.
翻译：
8-35. 栅极偏置放大器：GB1，输入信号的副本，供后续电路测量，该点由很多开关电路将不同的输入信号接入或断开。栅极偏置放大器（A20,Q120和U105）为FET开关管提供栅极电压偏置，使其在打开状态时栅-源极的压差为零。这个放大器的增益为1，且使用FET对管作为输入电路，以提高输入阻抗。偏置放大器的输出端通过一个100k的电阻耦合到FET开关管的栅极。
8-36. 电荷调理电路：当仪器进入自动归零周期时，杂散电容（stray capacitance）将导致不确定的噪音测量。电荷调理电路用来减少这种误差。该电路在输入切换时阻止输入信号的容性负载特性，并确保自归零状态时准确测量。电荷调理电路包括电荷变更存储调整，电荷修正调整，和预充电三个部分。可调电阻R148，为电荷变更存储调整电阻，用来消除Q103源极输入节点的直流电荷。可调电阻R147，为电荷修正调整电阻，用来消除Q103漏极节点的交流电荷。...预充电电路，在FET开关管Q102闭合时（U104A控制）通过GB1给输入放大器前结合点的杂散电容充电。
B.关于模拟开关
由FET构成的模拟开关具有以下特点：
1.开关断开状态的电阻接近无限大；
2.在开关导通状态自身压降极小（高阻信号传递的条件下）；
3.导通电阻较大，元件的离散性造成导通电阻也有离散性，且随温度的变化而变化；
4.驱动电流极小，但驱动电压幅度较大；
5.特别适合于高阻条件下使用，但开关速度很难做的很高。
下面是JFET构成的模拟开关电路和驱动条件。
二、原电路分析
HP34401A模拟部分使用2块专用IC（HP自行开发的芯片）U101（1SK6-0001）和U102（1NB4-5035）。U101是模拟开关阵列；U102是电阻网络。本节主要来分析U101内部的电路结构，并试图用分立元件来实现其功能。
其中红色线为输入切换开关；蓝色线为量程切换（×1，×10，×100）开关；紫色线为电阻档恒流源量程切换（5.5uA，10uA，100uA，1mA）开关；绿色线为数字控制线；未着色的黑色线为电源线或空脚。
AZ0，AZ1和AZ2分别为预充电（PRE），置零（MZ）和信号（MC）控制脚，由单片机直接控制。
电源为+18V，-18V，+5V，AGND；共3组电源。±18V为内部模拟开关电路电源；+5V为逻辑电路电源。
1. 输入切换开关电路
图2-2 输入切换开关电路
PRE_ADJ为外部输入的调整电压，由单片机的PWM模块提供。MC（Measure Customer input）为待测信号开关；MZ（Measure Zero input）为输入信号“地”的切换开关；PRE（Precharge）为预充电切换开关。MZ的作用是：在测量过程中将MC导通的测量结果减去MZ导通的测量结果作为最后结果，这样可以大大消除偏置电路的温漂，特别是后续的增益电路的漂移所带来的影响。至于PRE的作用，HP34401A维修手册中的解释是：“The PRE state is used to“precharge” internal capacitances to reduce charge injection to the inputterminal from the dynamic switching of MC and MZ”；意思是用此开关来对内部的某个电容进行预充电，可以消除MC和MZ切换时造成的泄露电荷。
HP3478A的维修手册（Service Manual）中对PRE的作用的解释是：（参考图2-3）
在U102的DC/Ohms输入放大器的输入端和地之间存在一个很小的寄生电容。在测量零信号（在autozero功能中）时，该电容两端的电压为0V，此后，输入信号接通，该电容又被充电至输入电压大小。这个充电过程将会暂时性地加大了输入信号的负载，并影响测量结果的准确性。为防止此种情况，在输入信号接通前，先对输入放大器（Input Amplifier）的输入端进行预充电（pre-charge），使寄生电容两端的电压为输入信号的电压。此功能由预充电放大器（Pre-Charge Amp）和MOSFET开关“PRE”（均在U102内部）实现。工作流程如下：
a.在测零（zero measurement）结束后，开关PRE闭合（开关MC仍然断开）。
b.输入信号电压通过输入通道连接到预充电放大器（Pre-Charge Amp）。
c.因为预充电放大器的增益为1，故将有一个和输入电压相同极性、相同大小的电压通过PRE开关连接到DC/Ohms输入放大器。这将会把寄生电容充电至输入信号电压水平。
d.然后开关PRE断开，开关MC闭合。进行输入信号电压测量。
e.在进行下一次输入信号电压测量前进行相同的操作。
按照上述说明，MZ、PRE和MC的导通时序图如图2-4所示（高电平表示导通，低电平表示断开）。
图2-5中波形图不是按比例画出的，此处是示意图，以能显示所有的波形细节。图中MZ和MC是每隔200ms变换一次，高电平表示相应的开关接通。可以发现实测图和之前的推测一致，测零结束后延迟t1（t1=2μs）后，PRE导通，即进行预充电，预充电持续时间t2为60μs。预充电结束后输入信号接入，进行输入信号电压的测量。
PRE、MZ和MC三个信号由单片机而不是CPLD（或FPGA）控制。
比较图2-2和图2-3，可以发现HP34401A多出一个PRE_ADJ。此脚为预充电放大区的偏置电压调整脚，由单片机PWM输出、经过滤波后提供，实测电压约为2.6V左右。此脚的功能类似运放的输入偏置电压调零的那个可调电阻的功能。
DC可编程增益放大电路
DC可编程增益放大电路包含一个工作点稳定的DC放大电路和增益切换电路。DC放大电路的设计要点就是：1.工作点稳定，即不同的输入电压下放大器的工作点尽可能不变；2.低噪音。对温漂等参数没有特殊要求，只要短时间内变化不明显即可（如200ms内没有明显变化），因为测量时是会将这些固定误差减去的。这样做的目的就是降低全量程的非线性误差。
从HP34401A的几个版本电路中可以发现这种设计思路。对比图3-1和图3-2，新版本的电路依然使用直流伺服电路，以确保工作点稳定；但放大器主体改为低偏置电流的集成运放芯片OPA130UA（FET输入，最大偏置电流为20pA）。
可编程增益电路是通过选择电压的负反馈量来实现的，共有3个增益可选：×1, ×10, ×100。三个模拟开关用来选择不同的分压，然后反馈到DC放大电路的反相输入端。注意，在控制此处的3个模拟开关时，要先闭合再断开（make-before-break），以防止3个开关全断开时放大器的开环放大状态。图3-1中，反馈电阻通过模拟开关接到FET的栅极，即反馈电路从反馈电阻上所取的电流是极小的（pA级），也就是反馈回路对分压电阻分压比的影响是非常小的。而图3-2中，反馈电阻通过模拟开关接到运放OPA27U的反相端，OPA27U是低噪精密运放，但其输入偏置电流最大为±80nA，失调电流最大为±75nA；这些误差均为固定误差，不随输入电压的大小而改变，或改变的值非常小，达到可以忽略的地步。
运放OPA130（或TL071C）加了伺服电路，目的是在不同的输入电压下保持输入偏置一致，这样的话，固定的输入偏置电压就可以被去除掉。 |
发表于 2012-3-7 22:02:49
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发表于 2012-3-7 22:42:14
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