差变专用集成电路SF5520的原理及应用

SF5520是一种专门同差动变压器配套使用以进行测量与转换的单片式集成电路，它上有功耗低、体积小、安装容易、使用方便等特点。SF5520与差动变压器配合使用所组成的测量系统能在化电路的同时显著提高系统性能。它与SJ5520、NE5520性能相同，封装形式也一致，可以直接互换。SF5520能提供电感传感器所必需的低失真稳定正弦波激励电源，并能对传感器的输出信号进行高精度的相敏整流处理。同时，芯片内部相对独立的辅助运算放大器还可为实际应用增加更大的灵活性。

1 SF5520的引脚功能

SF5520采用14脚双列塑封，其管脚排列如图1所示。各引脚的功能如下：

1脚：辅助运放输出；javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

2脚：辅助运放同相输入；

3脚：辅助运放反相输入；

4脚：内部相敏整流器输入；

5脚：内部相敏整流器输出；

6脚：内部相敏流器参考信号输入；

7脚：接地；

8脚：二分之一基准电压；

9脚：信号发生器输出；

10脚：信号发生器输出（与9脚反相）；

11脚：内部运放反相输入端；

12脚：基准电源；

13脚：信号发生器外接电容；

14脚：电源。

2 SF5520的结构原理

图2是SF5520的内部等效电路框图，它由滤形发生器、相敏整流器、偏置电路及辅助运放组成。图中，芯片内部的电阻除R7、R8为5kΩ以外，其余均为10kΩ。

SF5520内部有一个谐波含量小于5%且具有一定负载能力的正弦波信号发生器，其输出可用于对差动变压器初级绕组提供驱动。它由三角波信号发生器B1、波形转换电路B2及信号输出级A1、A2等组成。三角波信号发生器的振荡频率与外接电容C1有关，通过改变该电容值可使输出信号频率在1~20kHz之间调节。振荡频率f与外接电容C1之间存在下列关系：

f=110/C1

式中：f的单位是Hz，C1的单位是μF。
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    SF5520内部的相敏整流电路由运放A3、A4及可控电子开关B4组成。其中由运放A3组成电压跟随器，以提高相敏整流电路的输入阻抗；A4及电阻R1~R4组成换向放大器，其工作状态由电子开关B4控制；可控电子开关由输入信号控制，输入信号的不同极性可导致电子开关的导通与截止。

偏置电路（B3）可为SF5520内部各单元电路提供稳定的工作电压，以保证电路能稳定可靠地工作，同时还确保输出信号的动态工作范围。

此外，SF5520内部还设置一个独立的运算放大器（A5），该放大器可为实际应用提供极大方便。

3 SF5520的技术参数

SF5520的主要技术参数如下：

振荡频率：1~20kHz，由外接电容确定。

输出信号失真：小于5%，典型值4%。

输出电流：典型值15mA，最小值8mA。

外接负载阻抗：小于1kΩ。

输入电压：最小值4.5V，最大值5.5V。

输入电流：典型值300μA，最小值100μA，最大值1mA.

线性误差：典型值0.05%，最大值0.1%。

单电源：5~20V；双电源：±2.5~±10V。

电源电流：典型值15mA，最大值20 mA。

基准电压：最小值5V，最大值与电源电压相同。

增益：典型值为100000倍。

输入失调电压：最小值-10 mA，最大值+ 10mA。

输出电压摆幅：最小值1.5V，最大值为电源电压-1.5V。

输出短路电流：典型值50 mA。

典型功耗：小于220 mW，极限耗散功率为840 mW。

环境温度：0~70℃。

存储温度：-65~125℃。
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4 SF5520的应用电路

差动变压器式传感器属于互感式传感器。它本身是一个变压器，其原边是一个绕组接入激励信号，副边有两个相同的绕组反向串接以获得输出信号。铁芯的一端与被测物体连接，当被测物体移动时，就会因铁芯的移动使逼边两绕组与原边绕组的互感不同而引起输出信号变化。将SF5520与差动变压器配合使用可组成电动执行器中的位置发送器，其电路十分简单，且调试方便，性能优良。图3是一种可接浮地负载的位置发送器电路，图中，R3、C2组成移相电路，其作用是使相敏整流器的参考信号（差变的激励信号）与输入信号（差变的输出信号）相位一致，从而改善电路的性能，R3的参考值为20k℃,C2的参考值为0.02μF。R2、C1组成无源滤波电路，用于对相敏整流器输出信号加以滤波。辅助运放A5可与调恒流管CRD等可组成V/I转换电路，可对相敏整流器的输出信号进行转换，以输出0~10mA的直流电流作为位置发送器的输出信号。由图可知：

（IL+IH）（R0+RWL）=V5

IL=[V5/（R0+RWL）]-IH

式中，V5为相敏整流器输出端5脚的电压，IH为可调恒流管CRD的输出电流。由上式可知，改变IH可使电路的输出电流为零，因此，调节RWO可调节电路的输出零位，而改变电闰器RWL可调节电路输出电流的量程。图3电路能输出0~10mA的电流信号，可作为II型仪表中电动执行器的位置发送器。
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    在图3电路中，由于位置发送器的输出端负载不能接地，这给某些应用带来不便。一种能对地输出0~20mA电流信号的位置发送器电路如图4所示，该电路既可用于II型仪表，也可用于III型仪表。图中，由SF5520内部辅助运放及电阻、电容等元件组成的二阶有源滤波器，可对相敏整流器的输出信号进行更有效的滤波，从而改善电路性能。由双运放LM358（A6、A7）组成的V/I转换电路，可将相敏整流器的输出电压转换电路信号，输出的直流电流信号可接地负载。电位器RW用来调节输出电流的零位，改变电阻R0可调节输出电流的量程。

在上述应用电路中，差动变压器的激励信号的采用电压信号，这种方法的主要缺点是在环境温度发生变化时会产生测量误差。

由于差动变压器绕组的阻抗在环境温度变化时也发生变化，因此，差动变压器采用电压源激励将导致其传递函数的变化，从而产生测量误差。改进的方法是差动变压器采用电流源激励，其电路如图5所示。
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    图中，将SF5520的A1接成反相放大器，将负载两端电压VL反向后送到芯片的10脚，即由A2构成反相放大器的输入端，从而组成电压控制电流电路。为使差动变压器的初级绕组不含直流分量，芯片应采用双电源供电，使电流源为双向输出电流源。