Форум Статьи Контакты
Строительство — возведение зданий и сооружений, а также их капитальный и текущий ремонт, реконструкция, реставрация и реновация.

Схемы на переключаемых конденсаторах

Дата: 27-01-2022, 23:00 » Раздел: Статьи  » 

Схемы на переключаемых конденсаторах — обширный класс схемотехнических решений, основанный на периодической коммутации конденсаторов.

Наибольшее распространение получил с освоением в промышленности интегральных микросхем по технологии с оксидной изоляцией (например, КМОП). Низкий уровень диэлектрической абсорбции и малые утечки диэлектрика позволили создавать высококачественные конденсаторы с хорошей повторяемостью. При этом с резисторами в рамках данной полупроводниковой технологии все было гораздо хуже с точки зрения занимаемой площади, повторяемости и стабильности номиналов, паразитных ёмкостей. Такая ситуация быстро привела к выработке ряда специфических схемотехнических решений.

Следует заметить, что решения на переключаемых конденсаторах и ранее применялись в дискретном исполнении в специальных случаях.

Схемы с накачкой заряда

Схемы с накачкой заряда (англ. charge pump, зарядовый насос) относятся к одному из видов преобразователей постоянного напряжения в постоянное (DC-DC converters). Этот вид преобразователей использует конденсаторы в качестве накопителей заряда, который переносится от одного конденсатора к другому с помощью системы переключателей. Название «зарядовый насос» обычно означает маломощный повышающий преобразователь, в котором конденсаторы подключены к источнику тактовых импульсов, а роль переключателей выполняют диоды. Два логических состояния тактового импульса («0» или «1») задают две фазы переключения (топологии) схемы с накачкой заряда. К двухфазным зарядовым насосам относятся все диодные умножители напряжения, а также некоторые сложные преобразователи, такие как Fibonacci Charge Pump и Multiple-Lift Luo Converters. Существуют также схемы с несколькими фазами переключения (multi-phase). В случае если зарядный насос понижает напряжение и имеется какой-либо механизм его плавной регулировки используется название преобразователь на переключаемых конденсаторах (ППК). Выходное напряжение ППК на холостом ходу в установившемся режиме можно найти, решив систему линейных уравнений. При условии, что весь полученный заряд передается на выход, коэффициент полезного действия ППК равен отношению выходного напряжения к напряжению холостого хода.

Умножители напряжения

Делители напряжения

Фильтры

Фильтр низких частот

На рисунке справа представлен классический фильтр низких частот на RC-цепочке. Частота среза RC-цепочки рассчитывается по формуле

f 0 = 1 2 π ⋅ R ⋅ C {displaystyle f_{0}={frac {1}{2pi cdot Rcdot C}}}

Для схемы на переключаемых конденсаторах частота среза рассчитывается с учётом замены резистора (см. «Замена резисторов в интегральном исполнении» ниже) по формуле

f 0 = 1 2 π ⋅ R ⋅ C 2 = f c C 1 2 π ⋅ C 2 {displaystyle f_{0}={frac {1}{2pi cdot Rcdot C_{2}}}=f_{c}{frac {C_{1}}{2pi cdot C_{2}}}}

где:

  • f 0 {displaystyle f_{0}} — частота среза фильтра,
  • C 1 {displaystyle C_{1}} и C 2 {displaystyle C_{2}} — ёмкости конденсаторов,
  • f c {displaystyle f_{c}} — частота переключения конденсатора.

Полосовой фильтр

АЦП и ЦАП

Сигма-дельта АЦП и ЦАП

АЦП с двойным интегрированием

Преобразователи напряжение-частота

Устройство выборки и хранения

Усилители стабилизированные прерыванием

Разновидность операционных усилителей (ОУ). Для борьбы с таким паразитным параметром как напряжение смещения ОУ применяется схема на переключаемых конденсаторах. Она периодически измеряет и «запоминает» напряжение смещения ОУ и вычитает его из входного напряжения. Такое решение позволяет построить недорогие прецизионные ОУ для массового применения. Недостатки такого решения — наличие шума цепей переключения, который однако имеет фиксированный спектр и как следствие может быть легко отфильтрован.

Специфической разновидностью прецизионных усилителей является схема «модулятор-демодулятор», в которой также применяются конденсаторы. Ныне эта разновидность практически не используется.

Гальваническая развязка

Замена резисторов в интегральном исполнении

Известно, что сила тока I {displaystyle I} в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению U {displaystyle U} и обратно пропорциональна сопротивлению R {displaystyle R} проводника (Закон Ома для однородного участка цепи). В то же время сила тока I {displaystyle I} равна отношению заряда Δ Q {displaystyle Delta Q} , переносимого через проводник за интервал времени Δ t {displaystyle Delta t} .

I = U R {displaystyle I={frac {U}{R}}} и I = Δ Q Δ t {displaystyle I={frac {Delta Q}{Delta t}}} (1)

где:

  • I — сила тока,
  • U — напряжение или разность потенциалов,
  • R — сопротивление.

Сопротивление цепи рассчитывается по формуле

R = U ⋅ Δ t Δ Q {displaystyle R={frac {Ucdot Delta t}{Delta Q}}} (2)

Перенос заряда через конденсатор по схеме на рис.2 можно рассчитать по формуле

Q = C ⋅ U {displaystyle Q=Ccdot U} (3)

где:

  • Q — заряд конденсатора,
  • С — ёмкость конденсатора,
  • U — разность потенциалов на обкладках конденсатора.

Используя равенства (2) и (3) получаем

R = U ⋅ T C ⋅ U = T C = 1 f ⋅ C {displaystyle R={frac {Ucdot T}{Ccdot U}}={frac {T}{C}}={frac {1}{fcdot C}}}

где:

  • Т — период переключения конденсатора,
  • С — ёмкость конденсатора,
  • f — частота переключения конденсатора.

Следовательно, сопротивление цепи с переключаемым конденсатором обратно пропорционально произведению частоты переключения конденсатора на значение его ёмкости.

Другие применения

Сдвиг (перенос) напряжения


(голосов:0)

Пожожие новости
Комментарии

Ваше Имя:   

Ваш E-Mail: