早在1986年，著名的模拟革新者Jim Williams在《高性能电压频率转换器设计》(Designs for High Performance Voltage-to-Frequency Converters)中发表了他的“King Kong”100MHz VFC(电压频率转换器)。我从未见过与之相媲美的产品，当然，图1的小电路最高频率仅约为20MHz，远不及它。
图1：半回收(TBH)电荷泵使简单的VFC在20MHz时具有合理的性能。
但是，尽管远远落后于Kong，图1中的VFC仍然比市售的VFC(例如4-MHz VFC110)快几倍，并且只需使用单+5V电源/基准，就能以不到10mA的电流运行。
它之所以能在如此高的输出频率下工作(没有K.Kong的复杂性)，(主要)是因为采用了自补偿TBH二极管电荷泵，这在早先的设计实例“半回收精密二极管电荷泵”中已有描述，我们很快就会讲到这一点。
同时，这里有一个概述。
由R1测量的0至1mA满量程输入集成在C1上，导致输入放大器的输出上升，从而打开电流接收器Q1。灌电流使施密特触发器U1引脚1处的电压下降，直到超过其负触发电平(~1.5V)，这会通过三反相器菊花链延迟线启动级联转换。引脚2突然变高，使引脚4变低，使引脚6翻转为高。通过菊花链传播大约需要20纳秒，到达引脚6的斜坡复位脉冲通过D5反馈到引脚1，将其推过U1的正触发电平，这会通过菊花链启动互补波，最终在~40纳秒内完成循环。
因此，振荡器频率(大致上)与R1输入电流成正比，泵和运算放大器的作用是使其准确成正比。实现这一点的诀窍在于TBH泵及其两个看起来很有趣的反并联二极管对：D1 D2和D3 D4。
D3和D4将输入平衡负反馈电流耦合到C1，理论上等于-100µA/MHz，但实际上会因各种二极管非理想状态引起的各种误差项而减小。这些误差包括正向压降、反向恢复时间、杂散电容和分流电容等。
同时，相反极性的D1和D2将正反馈电流耦合到C1，该电流(从理论上讲)等于+50µA/MHz，但实际上却因D3和D4中列出的完全相同的麻烦的非理想因素而减少。
因此，当两个相反的电流在C1上相加时，误差项完全抵消，只留下所需的-(100-误差)+(50-误差)=-50µA/MHz精确负反馈，从而：
Fout=20MHz Vin(1000/R1)
一些设计细节包括以下项目。
Q1的基极驱动电阻是根据2N3904数据表的最小/最大beta范围选择的，其值要足够低以允许足够的集电极电流达到完整的20MHz，但又足够高以防止过度拉低D5和U1引脚6并消除振荡，因为无法达到引脚1的正触发电平。后一种情况可能会导致转换器锁存。
即使运算放大器已关闭Q1，漏电抑制器R4也能防止U1、D5和Q1总漏电流产生零偏移振荡。
如果找不到U1中未使用的剩余元件的用途，请务必将其浮动输入接地或绑定到+5。
(原文刊登于EDN美国版，参考链接：20MHz VFC with take-back-half charge pump，由Ricardo Xie编译)
最前沿的电子设计资讯
