著名模拟设计师兼作家Jim Williams于1986年发表了一款令人惊叹的100MHz电压频率转换器(VFC)。他将这款产品命名为“金刚”(King Kong)！2005年，他又推出了一款经过大幅更新的后续产品——“1Hz至100MHz VFC，拥有160dB的动态范围”。
这两款令人印象深刻的设计都令我着迷，因为它们比我见过的任何其他VFC都要快得多！转眼又过去了二十年，我才终于决定尝试自己设计一个9位的VFC，如图1所示。
图1：这个简单的VFC借鉴了Williams的一些开创性的理念，并将它们与我自己的一些技巧相结合，以达到100MHz满量程频率的高水平性能。
Q1、D1和施密特触发器U1组成了一个简单但紧凑快速的VFC，然后由预分频器U3、半回收(TBH)电荷泵D1-D4和积分器A1组成的反馈回路进行精确控制。预累加器U2将100MHz计数率连接到中速(~6.25MHz)的计数定时器外设，且不会降低分辨率。
图1电路的核心是一个非常简单的Q1、U1、D5斜坡复位振荡器。Q1的集电极电流会释放由其自身集电极、施密特触发器U1的输入端、D5及其互连产生的几皮法杂散电容。U1的亚五纳秒传播延迟，使振荡器能够从完全静止运行到100MHz以上。
在每个周期中，当Q1将U1引脚1的电压缓降至触发电平时，U1会通过肖特基二极管D5发出一个约5ns的斜坡复位反馈脉冲。这会将引脚1拉回到正触发电平以上，并启动下一个振荡周期。由于斜坡下降率(或多或少)与Q1的基极电流成正比，而基极电流又与积分器A1的输出电压近似成正比，因此振荡频率也与基极电流成正比，不过需要注意的是只是“近似”。
通过TBH泵的反馈，与积分器A1同相输入端的R1输入相加，然后输出到Q1，再到U1引脚1，将“近似”转换为“精确”。
那么，U3在做什么？
TBH泵的自补偿功能使其能够在25MHz左右的频率下精确分配电荷，但100MHz的频率无疑要求过高，U3的两位预分频器就解决了这个问题。U3还提供了一个可能(注意跳线J1)，可以用高质量的5.000V基准电压来替代精度可能较低的通用5V电源轨。
图2展示了一个频率为250kHz二极管电荷泵，它将5V电源轨升压至约8V，然后由U4将其调节至5.000V的精度。U3的电流需求(包括电荷泵驱动)在100MHz时约为23mA，U4的额定负载能力不足以承受如此大的负载，因此由备用电阻R6来分担。
图2：250kHz二极管电荷泵轨升压器将轨电压升至8V，然后由U4调低至精密的5.000V参考电压。
16倍预累加器U2允许使用频率低至6.25MHz的中等性能计数定时器外设来获取满量程的100MHz VFC输出。
(原文刊登于EDN美国版，参考链接：100-MHz VFC with TBH current pump，由Ricardo Xie编译)
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