每周一个经典电路解析：Jim Williams与其VF转换电路

追求电子装置的便携性以及电池供电一直是一种应用需求，其可广泛应用于医疗、远程数据采集和电力监控等领域，在某些情况下，出于对空间、功率和可靠性的考虑，系统供电最好1.5V单电池，然而不幸的是，绝大多数线性集成电路都不能在1.5V下工作，而且硅晶体管和二极管的600mv开启电压使电路设计更加困难，此外，1.5V的单电池其多数情况下的电池电压却只有1.3V，所有这些限制是很棘手的，尤其是在需要诸如数据转換器和采样保持这样复杂线性电路的功能时。尽管存在这些问题，采用适当的电路设计依然可以设计出这种线性转化电路，有此功底的基本都是模拟电路大师级的任务。今天给大家介绍Jim Williams和他设计的一个1.5V下工作的VF转换器，分以下四部分：

Jim Williams何许人也？
VF转换电路是什么？
常规设计
Jim Williams的设计

一、Jim Williams何许人也？
Jim Williams有着近30年的Linear公司(现被ADI公司收购)工作经历，曾任Linear的应用工程师，后来成为Linear的专职研究员。Jim于2011年6月辞世，他是一位具有传奇色彩的模拟电路设计者、各类疑难问题的完美解决方案提供者、各类文档的优秀编撰者，多年来一直是众多工程师的良师益友。1968年到1979年间，Jim曾在麻省理工进行教学和科研工作，专注于模拟电路设计。他曾在National Secmiconductor的线性集成电路小组工作3年，随后在1982年加入Linear公司。1992年，他曾获EDN杂志的年度创新奖，在2002年被选入Electronic Design名人堂。他曾编撰有大量电路设计相关的文章和应用指南，是若干经典模拟电路设计专著的作者／编辑。
二、VF转换电路是什么？
VF转换电路就是把模拟电压信号线性地转换为周期性频率信号，比如0.8v 转换为8khz频率信号，0.9V转换为9Khz, 0.7v转换为7kHz…,关键是要线性转换关系且频率间隔足够宽，你若把0.7v->7khz, 0.8v->7.02k, 0.9v->7.04k…这是毫无意义的，因为频率间隔太小，接收方很难识别。
三、常规设计
普通人设计时，首先是找电路结构，比如使用比较器加可调比较电平，就可改变振荡频率，1.5v下工作的运放和比较器还真不好找，不过LT1018是为数不多的能在1.5v下工作的比较器，例如下图：

V2可以做输入模拟信号，LT1018构成振荡器，可以用三要素法求出充放电时间，继而求出周期：这个电路最大的缺点就是V2与振动频率的线性度不好，而且振荡频率范围很小，在1.5V工作下没有实用价值，以下是此电路的仿真工作波形：

此电路设计的难点在于1.3v–1.5v的工作电压内要求线性转换且频率间隔足够大！！！

四、Jim Williams的设计

上图是Jim Williams的设计，以下是仿真电路：

仿真测试数据如下：

0.9v --> 10.4khz , 0.8v --> 9.27khz , 0.7v --> 8.09khz ,

0.6v --> 6.8khz , 0.5v --> 5.42khz , 0.4v --> 3.94khz ,

0.3v --> 2.38khz , 0.1v --> 0.839khz

仿真数据达不到Jim Williams的实测精度，应该是由于模型精度与数字计算偏差，特别是计算的步距对精度影响较大，步距太小仿真太慢但精度高一些，此处最大步距是0.1us,EDA软件对自激振荡的仿真还是略有不足，其对步距和电路起始条件较敏感，虽然数值计算有些偏差，但也看出线性度还是不错。

电路工作原理说明：与普通的RC充放电不同，它采用类似开关电容的电荷转移原理和一阶RC极小电流和极小电压变化时可以近似为线性充电原理，利用100p的小电容构成暂稳振荡电路，利用三极管构成的低阻抗开关二极管来平衡电容电荷的转移，利用2n3906/3904做温漂补偿和构成简单稳定的恒压源…,几个简单的三极管和电阻电容、一个比较器就构成了一个超低压工作的VF转换电路。

VF转换电路说明

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