CN111679711A

CN111679711A - 一种超精密基准电压的混合集成电路

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Publication number: CN111679711A
Application number: CN202010595290.4A
Authority: CN
Inventors: 梁伟明; 曹彪; 陈立克; 姜峰
Original assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Priority date: 2020-06-28
Filing date: 2020-06-28
Publication date: 2020-09-18

Abstract

本发明公开了一种超精密基准电压的混合集成电路，包括基准输入电路、电阻网络、运算放大器、补偿输入电路和基准输出电路；基准输入电路连接在运算放大器的同相输入端；电阻网络连接在运算放大器反相输入端；补偿输入电路反馈连接在运算放大器的输出端与反相输入端之间；运算放大器的输出端经基准输出电路输出基准电压。本发明的混合集成电路具有低噪声、高稳定性、精度高、工艺相对简单，元器件工作温度范围达到‑55℃～+125℃，能够覆盖小型化应用要求。

Description

一种超精密基准电压的混合集成电路

技术领域

本发明涉及一种基准电压集成电路，属于电路技术领域。

背景技术

近年来随着高速数字信号处理技术的飞速发展，国外单片D/A变换器发展迅速，各大半导体器件公司均有出高速的DAC产品。然而，任何器件其动态特性和静态特性都是相互制约的，要保证速度与精度兼顾，就要对参考基准电压的温度系数、噪声、初始误差有严格的考虑。本设计基于某显示控制系统前端高采样速率数模变换器，而影响数模电路精度最重要因素就是参考基准电压的设计，这将直接影响DAC的输出特性。无论是静态还是动态特性都直接受到基准参考电压初始值、温度系数、噪声的影响，任何参考基准电压误差都直接影响DAC输出电压误差。

目前现在的基准电压混合集成电路主要的缺点是不利于小型化集成而且电路复杂，可靠性较差，通用性不强和稳定性容易受到影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种超精密基准电压的混合集成电路，产生的基准电压精度高，更好地解决了目前的基准电压集成电路的稳定性、集成度和通用性等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种超精密基准电压的混合集成电路，包括基准输入电路、电阻网络、运算放大器、补偿输入电路和基准输出电路；

基准输入电路连接在运算放大器的同相输入端；

电阻网络连接在运算放大器反相输入端；

补偿输入电路反馈连接在运算放大器的输出端与反相输入端之间；

运算放大器的输出端经基准输出电路输出基准电压。

进一步地，运算放大器电源端设置滤波电路。

进一步地，基准输出电路的输出端设置滤波电路。

进一步地，运算放大器采用LM741芯片。

进一步地，基准输入电路包括串联在地与运算放大器同相输入端之间的精密电压基准源LM129A和第一电阻。

进一步地，根据精密电压基准源LM129A的稳压值，选择对应的电阻网络的阻值R3。

进一步地，当稳压值6.7V≤V0≤6.82V时，R3=9.3kΩ；

当稳压值6.82V <V0<6.98V时，R3=10kΩ；

当稳压值6.98V≤V0≤7.2V时，R3=11kΩ。

本基准电压输出设计采用精密电压基准源，运算放大器和精密电阻网络匹配输出-10V参考，增加滤波处理减少噪声，同时采用筛选测试电阻网络匹配补偿的方法，将精度进一步提高，为了提高电路的可靠性，进一步减少环境对电路精度的影响，本电路采用LCC28引线金属外壳全气密性封装，对其中的有源芯片和无源电阻网络进行混合集成。混合集成电路具有低噪声、高稳定性、精度高、工艺相对简单，能够覆盖小型化应用要求。通过上述方法，实现了电路超高精度的输出电路原理的设计输出，实际使用电压精度可以达到0.02%，体积在12mm*12mm*2mm以内。本集成电路解决了基准电压的精度、稳定性、集成度和通用性等问题。

为了保证电路的可靠性，进一步减少环境对电路精度的影响，本电路采用LCC28引线金属外壳全气密性封装，对其中的有源芯片和无源电阻网络进行混合集成。

本发明所达到的有益效果：

本发明的混合集成电路具有低噪声、高稳定性、精度高、工艺相对简单，元器件工作温度范围达到-55℃～+125℃，能够覆盖小型化应用要求。通过上述方法，实现了电路超高精度的输出电路原理的设计输出，实际使用电压精度可以达到0.1%，体积控制在12mm*12mm*2mm以内。电路设计具有精度高、工作温度范围宽、温漂小，工艺成熟，厚膜混合集成集成度高等优点，可以作为通用电路应用于如测试、测量仪器和高清晰度图形显示、医疗电子设备等各种高精度基准电压源的军用和民用场合，对国防有重大意义。

附图说明

图1精密基准电路框图；

图2精密基准电路原理图；

图3基准运放输入电路；

图4补偿输入电路；

图5筛选测试原理图；

图6运放补偿调节电路；

图7基准输出电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明通过利用基准稳压源、放大电路、高精密电阻以及滤波电路进行硬件设计，实现了高精度低噪声的输出电压，通过厚膜混合集成和薄膜电阻实现了小型化、模块化，提高了可靠性。高温度稳定性的精密电压基准输出满足显示控制系统的特殊应用需求。

1.技术特点

1.1 技术方案特点

1）运放电源端和参考输出端均进行了滤波处理，噪声特性低；

2）电阻选用了0.5%容差的精密薄膜电阻，初始误差最小；

3）电阻均选用了温度系数为±10ppm/℃的镍铬薄膜电阻，以获得最优温度系数的参考电压，避免周围环境的影响；

4）采用电阻网络测试选择的方法，减少了基准电压源的离散性；

5）基板材料采用Al₂O₃以及其它材料的基板，具有一定的抗机械冲击能力，特点是选材通用。

6）采用厚膜印刷工艺是常用工艺，易生产加工。

7）裸芯片金丝键合能提高集成度，同时绑定胶绑定能有效的对裸芯片及键合线进行保护。

8）片式电阻电容采用锡焊方式，牢固可靠，属常规工艺，易操作。

1.2 技术难点

1）精度要求高，初始误差、基准电压存在一定的离散性。

2）集成度要求高，陶瓷基板尺寸太小，增加了加工难度。

3）温度参数要求高，噪声要求低，功率小。

2.技术方案

基准电压的设计对DAC的输出特性十分重要，任何基准电压误差都会直接影响电路系统的误差。本发明的低噪声高精度基准电压源集成电路，通过采用超低噪声基准电压源电阻网络调节离散精度，运放匹配的方式，使得到的目标基准电压偏移量低、精度高、误差小，集成度高。

（1）设计基准电压主要有三种主要误差需考虑：电压初始误差、电压温度系数和电压噪声。基准电压的初始误差将直接产生DAC的满刻度误差（增益误差），设计采用-6.9V精密电压基准源LM129A通过运算放大器输出-10V参考。为了获得最小的初始误差，电阻R4-R6选用了0.5%容差的精密薄膜电阻；温度系数影响参考电压的误差，如果选用温度系数差的器件，电压输出将十分依赖于周围的环境，电阻R3-R6均选用了温度系数为±10ppm/℃的镍铬薄膜电阻，以获得最优温度系数的参考电压。为满足对电路输出模拟电压的温度特性、稳定性等高要求，设计时凡是与模拟电压输出有关的电阻采用精度±0.5%、温度系数±10ppm/℃的薄膜电阻；噪声是参考电压的输出噪声的主要贡献者，为了取得低的噪声特性，产生参考的运放电源端和基准输出端加了滤波处理。同时在电路的输出增加输出补偿电路，提高输出稳定性。同时在电源近端加了大容量镍电容滤波，与仅使用单的陶瓷电容滤波比较，不仅提高滤波效果，同时提高了电路集成度。基准电压混合集成电路框图如图1 所示。

（2）精密电压基准源LM129A（温度系数为10ppm/℃）配合运放反馈电阻R1产生基准输入电压，满足高精度输出要求，如图2基准运放输入电路所示。通过电源和精密电阻分压形成补偿输入基础电路，如图3所示。

（3）由于精密电压基准源LM129A芯片输出电压值具有一定的离散性，但是批次的一致性很好，利用这个特点，为了提高基准精度，将LM129A上线前需进行批次稳压值参数测试，进行电阻选择，精确补偿LM129A基准的离散性，如图4所示。用数字电压表测试出稳压值V0值，每批LM129A上线前需进行稳压值参数测试，依据LM129A稳压值测试结果，对应R3电阻网络不同阻值，进行离散性补偿，达到提高精度的要求。稳压值分档处理方法：依据LM129A稳压值V0测试结果，对稳压值分为3档：当稳压值6.7V≤V0≤6.82V时，R3=9.3kΩ；当稳压值6.82V <V0<6.98V时，R3=10kΩ；当稳压值6.98V≤V0≤7.2V时，R3=11kΩ。

（4）通过运放对输入基准和精密电阻阻值选择进行正负反馈精确补偿调节，同时对电源和基准电压输出进行滤波处理，电源的近端均加了大容量镍电容滤波，在提高滤波效果的同时提高了电路集成度，电路如图5和图6所示。

（5）选用陶瓷基板，选用HTCC外壳及盖板（镀金）金属外壳。采用导电环氧树脂进行裸芯片（LM129A和LM741）与成膜基板之间的粘接，用金丝球键合实现芯片与基板或芯片与外壳引线间的电学互连。采用绝缘环氧粘接膜实现电路衬底与金属外壳底座间的组装粘接。

（6）采用稳定成熟工艺，制造过程中工艺控制及参数可控。为满足产品所要求的抗离心加速度的冲击能力，选用H37MP粘接剂作为芯片与成膜基片的粘接材料，环氧粘接剂与元器件和基片的化学及物理相容性，以及功率芯片的散热能力，又因为金导体的长期可靠性好，是可供选用的理想厚膜导体浆料。采用金导体浆料印制导电带，以利于金丝键合；采用金丝球焊的方法键合内、外引线，以利与金导带与外引线镀金层表面的可靠连接，采用金属外壳全气密性封装以提高密封可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种超精密基准电压的混合集成电路，其特征是，包括基准输入电路、电阻网络、运算放大器、补偿输入电路和基准输出电路；

基准输入电路连接在运算放大器的同相输入端；

电阻网络连接在运算放大器反相输入端；

运算放大器的输出端经基准输出电路输出基准电压。

2.根据权利要求1所述的一种超精密基准电压的混合集成电路，其特征是，运算放大器电源端设置滤波电路。

3.根据权利要求1所述的一种超精密基准电压的混合集成电路，其特征是，基准输出电路的输出端设置滤波电路。

4.根据权利要求1所述的一种超精密基准电压的混合集成电路，其特征是，运算放大器采用LM741芯片。

5.根据权利要求1所述的一种超精密基准电压的混合集成电路，其特征是，基准输入电路包括串联在地与运算放大器同相输入端之间的精密电压基准源LM129A和第一电阻。

6.根据权利要求5所述的一种超精密基准电压的混合集成电路，其特征是，根据精密电压基准源LM129A的稳压值，选择对应的电阻网络的阻值R3。

7.根据权利要求6所述的一种超精密基准电压的混合集成电路，其特征是，

当稳压值6.7V≤V0≤6.82V时，R3=9.3kΩ；

当稳压值6.82V <V0<6.98V时，R3=10kΩ；

当稳压值6.98V≤V0≤7.2V时，R3=11kΩ。