工業環境試測成功的消息,像一陣風似的吹遍了學校的電子工程系。林舟和張弛回到實驗室時,桌上已經擺好了系裏老師送來的鮮花,連公告欄裏都貼上了他們的測試報告摘要。
可兩人並沒有沉浸在這份喜悅裏。從工廠回來的路上,林舟就一直盯着筆記本電腦裏的測試數據,眉頭始終沒有舒展過。張弛坐在旁邊,看着他一臉凝重的樣子,忍不住問道:“都已經達標了,你還在愁什麼?”
“你看這裏。”林舟把電腦屏幕轉向他,指着一組標注着“高溫段輸出電壓漂移值”的數據曲線,“我們的電路在40℃以下的工況裏,電壓漂移控制在±0.5mV以內,完全符合工業級標準。但溫度超過40℃之後,漂移值就開始緩慢上升,到45℃時,已經達到了±1.2mV。”
張弛湊近看了看,滿不在乎地擺擺手:“才1.2mV而已,離大賽規定的±5mV上限還差得遠呢。而且工廠那邊也說了,這個數值完全能滿足他們的使用需求。”
“可這不是能不能滿足需求的問題。”林舟的聲音裏帶着一絲執拗,“外公的手稿裏寫過,優秀的精密電路,追求的是零漂移。現在的漂移值雖然在合格範圍內,但它意味着我們的電路設計,還有一個隱藏的漏洞沒有補上。”
周明遠教授恰好推門進來,聽到兩人的對話,腳步頓了頓,走過來俯身看向電腦屏幕。他的手指在觸控板上滑動,將數據曲線放大,目光落在40℃到45℃的那段上揚區間上,臉色漸漸變得嚴肅起來。
“你們忽略了一個關鍵因素——溫漂。”周教授的聲音不高,卻像一記重錘,敲在了林舟和張弛的心上,“差分放大電路的核心是差分對管,而半導體元件的參數,會隨着溫度變化而變化。溫度越高,參數漂移越明顯,這就是漂移越明顯,這就是溫漂。你們之前的動態補償和電磁屏蔽,都針對的是外部幹擾,卻沒考慮過元件本身的溫度特性。”
這番話點醒了林舟。他猛地想起,在工業環境試測時,電路板上的差分對管溫度最高,幾乎和環境溫度持平。當時只想着抗幹擾,卻沒意識到,這些核心元件的溫漂,才是隱藏在數據背後的最大隱患。
“那該怎麼解決?”張弛的語氣裏終於沒了之前的輕鬆,“我們總不能在電路板上裝個空調吧?”
“裝空調不現實,但我們可以設計溫度補償電路。”周教授指着數據曲線,“溫漂分爲零點漂移和增益漂移,你們的電路主要是零點漂移。我們可以在差分對管的發射極,並聯一個熱敏電阻,利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性,來抵消差分對管的參數漂移。”
林舟眼睛一亮,立刻翻出外公的手稿。果然,在手稿的最後幾頁,就畫着溫度補償電路的原理圖,旁邊的批注寫着:“熱敏電阻選型需與差分對管的溫度系數匹配,否則補償效果適得其反。”
“可是,我們怎麼確定熱敏電阻的溫度系數?”張弛皺起眉,“不同型號的熱敏電阻,溫度系數差別很大,而且我們手裏的差分對管, datasheet 上只給了常溫下的參數,高溫下的溫度系數並沒有標注。”
“這就要靠你們自己測了。”周教授指了指實驗室裏的高低溫試驗箱,“把差分對管放進試驗箱,模擬40℃到45℃的溫度區間,測出它的電流放大系數β值隨溫度變化的曲線,然後根據這個曲線,去匹配對應的熱敏電阻。”
說幹就幹。兩人立刻把差分對管從電路板上拆下來,小心翼翼地焊接到測試夾具上,然後放進高低溫試驗箱。林舟負責設定溫度參數,張弛則守在萬用表前,記錄不同溫度下的β值。
試驗箱的溫度緩緩上升,從40℃到41℃,再到42℃……萬用表上的數值不斷變化,張弛的筆尖在記錄本上飛快地劃過,連眼睛都不敢眨一下。
“溫度40℃,β=120;41℃,β=123;42℃,β=126……”張弛念着數據,林舟則在電腦上繪制曲線,“溫度每升高1℃,β值增加3,這個溫度系數很穩定。”
“穩定就好。”林舟鬆了口氣,“這樣我們就能精準匹配熱敏電阻了。”
根據測出的溫度系數,兩人很快選定了一款負溫度系數的熱敏電阻——這種電阻的阻值會隨着溫度升高而減小,剛好能抵消差分對管β值隨溫度升高而增大的趨勢。
接下來就是設計溫度補償電路。林舟把熱敏電阻並聯在差分對管的發射極電阻兩端,然後在電腦上進行仿真。仿真結果顯示,加入熱敏電阻後,45℃時的電壓漂移值,從原來的±1.2mV,降到了±0.2mV,直接提升了一個數量級。
“太完美了!”張弛看着仿真曲線,激動地拍了下桌子,“這下就算溫度升到50℃,我們的電路也能穩如泰山!”
林舟卻沒有急着慶祝,他把熱敏電阻焊接到電路板上,然後將整個電路板再次放進高低溫試驗箱,進行實測。
試驗箱的溫度升到45℃,林舟按下電源開關,示波器屏幕上的波形穩定如初,萬用表顯示的輸出電壓漂移值,牢牢鎖定在±0.2mV。
周教授看着屏幕上的數值,滿意地點了點頭:“這才是真正的工業級水準。記住,做電子電路,永遠不要滿足於‘合格’,要追求‘極致’。那些隱藏在數據裏的問題,往往是提升電路性能的關鍵。”
林舟看着電路板上閃閃發光的熱敏電阻,心裏忽然明白了外公那句話的含義。優秀的電路設計,從來不是一蹴而就的,而是在一次次發現問題、解決問題的過程中,不斷打磨,不斷完善。
而這一次,他們從數據裏揪出的溫漂問題,不僅讓電路性能更上一層樓,更讓他們對精密模擬電路的理解,又深了一層。