单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路与方法技术

本发明专利技术是一种单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，属于轴角信号转换集成电路方法领域。该电路包括全差分结构的全差分固态控制变压器，全差分固态控制变压器依次与差分电路结构的R_2R DAC、差分误差放大器电路、差分相敏解调电路、差分积分器电路连接，再通过差分转单端结构与抗抖动电路、压控振荡电路和可逆计数器电路连接；可逆计数器电路则分别与全差分控制变压器、R_2R DAC、数据输出锁存器连接；抗抖动电路通过将压控振荡电路的输出电压信号按比例反馈到积分器电路。本发明专利技术还提供了一种转换方法。本发明专利技术转换电路采用了抗1LSB抖动电路结构，抗干扰能力强。通过将压控振荡电路的输出电压信号按比例反馈到积分器电路，实现1个LSB的迟滞，提高电路的稳定性。

The circuit and method of shaft angle conversion of single chip anti irradiation fully differential structure

【技术实现步骤摘要】
单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路与方法
本专利技术属于轴角信号转换集成电路方法领域，特别是一种单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路与方法。涉及到全差分结构的轴角-数字转换电路架构及其抗辐照加固方法。
技术介绍
单芯片轴角-数字转换集成电路是一种将模拟角度信号转换为数字信号的转换器，广泛地应用于火炮、船舶、航空航天等位置角度测量领域。传统的单芯片轴角-数字转换集成电路内部采用单端结构，抗干扰能力差。同时传统的轴角-数字转换器电路采用体硅CMOS工艺，电路中的MOS管采用常规结构，其抗辐射能力差，无法满足宇航级领域的应用需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的问题，提出一种单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，提高了电路的抗干扰能力。本专利技术所要解决的另一个技术问题是提出一种采用单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路的转换方法。本专利技术所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现。本专利技术是一种单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其特点是，该电路包括全差分结构的全差分固态控制变压器，全差分固态控制变压器依次与差分电路结构的R_2RDAC、差分误差放大器电路、差分相敏解调电路、差分积分器电路连接，再通过差分转单端结构与抗抖动电路、压控振荡电路和可逆计数器电路连接；可逆计数器电路则分别与全差分控制变压器、R_2RDAC、数据输出锁存器连接；抗抖动电路通过将压控振荡电路的输出电压信号按比例反馈到积分器电路。本专利技术所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其进一步优选的技术方案是：所述的可逆计数器电路具有预置数据功能，通过置入BIT1~BIT16的16位数据，输入的角度θ信号与可逆计数器中的数字角度φ进行比较，如果两个角度之间存在任何差异，则通过差分误差放大器输出模拟电压，实现机电控制变压器的功能，实现模拟电机输出功能及数字角度到模拟角度的转换。本专利技术所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其进一步优选的技术方案是：该轴角转换电路采用SOI工艺，电路中的NMOS器件全部为抗辐照结构的矩形栅NMOS管，抗总剂量辐射达到100krad（Si）以上；电路中的运算放大器、比较器电路中的比例电路采用相同尺寸的矩形栅NMOS管，通过个数比实现NMOS管的宽长比；R_2RDAC电路开关采用PMOS器件。本专利技术所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其进一步优选的技术方案是：在版图设计中采用隔离槽将PMOS管与NMOS管进行物理隔断；对不同衬底的NMOS管和不同阱电位的PMOS管均采用独立的隔离槽方式；对所有的NMOS管采用矩形栅设计，其内部NMOS管结构设计成矩形栅结构，NMOS管的栅极围成一个矩形环，栅极从矩形的一边引出，环的内部为漏区，环的外部为源区。本专利技术所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其进一步优选的技术方案是：全差分结构由两个相同的运放大器、两个反馈电阻Rf及一个放大电阻Ra组成差分放大电路，放大关系为Au=（1+2Rf/Ra）；在固态控制变压器电路中，需要实现1/cos45°、1/cos22.5°、1/cos11.25°三角函数变换的放大电路；根据三角函数关系，选择相应的电阻值，设置单位电阻为R，通过将反馈电阻Rf设置为（7+1/4）R，共用的放大电阻Ra设置为35R，即通过整数比实现1/cos45°的三角函数放大关系，同时反馈电阻、放大电阻之间没有引入地线上的阻抗，提高了放大精度；其余的1/cos22.5°、1/cos11.25°、1/cos5.625°三角函数的放大电路采用相似的结构。本专利技术所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其进一步优选的技术方案是：由两路完全相同的R_2RDAC实现全差分结构的R_2RDAC电路；全差分固态控制变压器的输出是两路差分信号，采用差分的R-2RDAC进行细分处理；其中，一路R-2RDAC的输入端接全差分固态控制变压器输出的差分信号的两个正端、一路R-2RDAC的输入端接全差分固态控制变压器输出的差分信号的两个负端。本专利技术所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其进一步优选的技术方案是：全差分相敏解调信号通过差分转单端电路，用于输入信号为单端信号的压控振荡器；差分转单端电路由运算放大器及4个电阻组成，电路的共模电位为2.25V；输入的差分信号，经过差分转单端电路后，输出变为单端信号。本专利技术所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其进一步优选的技术方案是：压控振荡器采用复位式电路结构，由运算放大器与电阻和电容组成；运算放大器的输出高于3.25V或低于1.25V时，输出高电平，通过单稳态电路输出时钟信号，控制复位开关闭合，使压控振荡器复位；差分积分器的主电路是个可校正的普通积分器，与压控振荡器组成Ⅱ型闭环伺服回路；通过将压控振荡器的输出按比例反馈到积分器的输入端，设置积分器的的阈值区间，使之在1LSB范围内保留误差值，而使积分电路的输出为零，直至输入误差超过了1LSB对应值，才有1LSB的变化；实现1个LSB的迟滞。本专利技术所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其进一步优选的技术方案是：通过可逆计数器电路组成Ⅱ型闭环系统，可逆计数器电路具有预置数据功能，当置数信号DATALOAD为低电平，同时ENABLE为高电平时，可逆计数器置入BIT1~BIT16的16位数据；输入的角度θ信号与可逆计数器中的数字角度φ进行比较；当两个角度之间存在差异，则通过差分误差放大器输出模拟电压，实现机电控制变压器的功能，即固态控制变压器功能。本专利技术还提供了一种采用以上技术方案中任何一项所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路进行转换的方法，其特点是，其步骤如下：（1）外部的旋转变压器产生一个轴角信号的模拟角θ，模拟角θ分为SINθ和COSθ两组差分信号，模拟角θ输入全差分固态控制变压器、R_2RDAC电路后与数字角φ合成一个差分误差信号sin(θ-φ)，通过相敏电路与参考信号进行解调；（2）经过差分到单端转换、差分积分电路、压控振荡电路和可逆计数器电路产生数字角φ，数字角φ由二进制码BIT1~BIT16表示，其中BIT1代表180°权值，BIT2代表90°权值，…，BIT16代表0.0055°权值；（3）最后数字角φ在全差分固态控制变压器、R_2RDAC电路中与模拟角θ比较组成的一个闭环回路，寻找sin（θ-φ）的零点；当这一过程完成时，数字控制电路的数字角φ等于信号输入轴角θ，最后输出数字角φ。与现有技术相比，本专利技术转换电路及转换方法具有以下有益效果：1、本专利技术转换电路采用了抗1LSB抖动电路结构，抗干扰能力强。2、本专利技术通过将压控振荡电路的输出电压信号按比例反馈到积分器电路，实现1个LSB的迟滞，提高电路的稳定性。3、本专利技术采用SOI工艺的矩形栅NMOS管结构，其内部NMOS管结构设计成矩形栅结构，NMOS管的栅极围成一个矩形环，栅极从矩形的一边引出，环的内部为漏区，环的外部为源区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其特征在于：该电路包括全差分结构的全差分固态控制变压器，全差分固态控制变压器依次与差分电路结构的R_2R DAC、差分误差放大器电路、差分相敏解调电路、差分积分器电路连接，再通过差分转单端结构与抗抖动电路、压控振荡电路和可逆计数器电路连接；可逆计数器电路则分别与全差分控制变压器、R_2R DAC、数据输出锁存器连接；/n抗抖动电路通过将压控振荡电路的输出电压信号按比例反馈到积分器电路。/n

【技术特征摘要】
1.一种单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其特征在于：该电路包括全差分结构的全差分固态控制变压器，全差分固态控制变压器依次与差分电路结构的R_2RDAC、差分误差放大器电路、差分相敏解调电路、差分积分器电路连接，再通过差分转单端结构与抗抖动电路、压控振荡电路和可逆计数器电路连接；可逆计数器电路则分别与全差分控制变压器、R_2RDAC、数据输出锁存器连接；
抗抖动电路通过将压控振荡电路的输出电压信号按比例反馈到积分器电路。


2.根据权利要求1所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其特征在于：所述的可逆计数器电路具有预置数据功能，通过置入BIT1~BIT16的16位数据，输入的角度θ信号与可逆计数器中的数字角度φ进行比较，如果两个角度之间存在任何差异，则通过差分误差放大器输出模拟电压，实现机电控制变压器的功能，实现模拟电机输出功能及数字角度到模拟角度的转换。


3.根据权利要求1所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其特征在于：该轴角转换电路采用SOI工艺，电路中的NMOS器件全部为抗辐照结构的矩形栅NMOS管；电路中的运算放大器、比较器电路中的比例电路采用相同尺寸的矩形栅NMOS管，通过个数比实现NMOS管的宽长比；R_2RDAC电路开关采用PMOS器件。


4.根据权利要求3所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其特征在于：在版图设计中采用隔离槽将PMOS管与NMOS管进行物理隔断；对不同衬底的NMOS管和不同阱电位的PMOS管均采用独立的隔离槽方式；对所有的NMOS管采用矩形栅设计，其内部NMOS管结构设计成矩形栅结构，NMOS管的栅极围成一个矩形环，栅极从矩形的一边引出，环的内部为漏区，环的外部为源区。


5.根据权利要求1或2所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其特征在于：全差分结构由两个相同的运放大器、两个反馈电阻Rf及一个放大电阻Ra组成差分放大电路，放大关系为Au=（1+2Rf/Ra）；
在固态控制变压器电路中，需要实现1/cos45°、1/cos22.5°、1/cos11.25°三角函数变换的放大电路；根据三角函数关系，选择相应的电阻值，设置单位电阻为R，通过将反馈电阻Rf设置为（7+1/4）R，共用的放大电阻Ra设置为35R，即通过整数比实现1/cos45°的三角函数放大关系，同时反馈电阻、放大电阻之间没有引入地线上的阻抗，提高了放大精度；其余的1/cos22.5°、1/cos11.25°、1/cos5.625°三角函数的放大电路采用相似的结构。


6.根据权利要求1所述的单芯片抗辐照全差分结构的轴角转换电路，其特征在于：由两路完全相同的R_2RDAC实现全差分结构的R_2RDAC...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忠超，陈大科，张雨，徐磊，席伟，罗佳亮，刘逸卿，
申请(专利权)人：连云港杰瑞电子有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32