Схемы на переключаемых конденсаторах

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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 емкостей. Такая ситуация быстро привела к выработке ряда специфических схемотехнических решений.

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

Зарядовые насосы (Charge pumps)[править | править исходный текст]

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 charge pump 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) charge pump. К двух-фазным charge pumps относятся все диодные умножители напряжения, а также некоторые сложные преобразователи такие как Fibonacci Charge Pump и Multiple-Lift Luo Converters. Существуют также charge pumps с несколькими фазами переключения (multi-phase). В случае если charge pump 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.

Литература[править | править исходный текст]

Расчет потерь мощности ППК с помощью эквивалентого резистора

  • J. C. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, Oxford, The Clarendon Press, pp. 420-425, Art. 775, 776, “Intermittent current,” 1873.
  • Z. Singer, A. Emanuel, and M. S. Erlicki, “Power regulation by means of a switched capacitor,” in Proc. of the Institution of Electrical Engineers, Vol. 119, №2, 1972, pp. 149–152.
  • G. van Steenwijk, K. Hoen, and H. Wallinga, “Analysis and design of a charge pump circuit for high output current applications”, in Proc. 19th European Solid-State Circuits Conf. (ESSCIRC) 1993, pp. 118–121.
  • J. W. Kimball, P. T. Krein, and K. R. Cahill, “Modeling of Capacitor Impedance in Switching Converters,” IEEE Power Electronics Letters, Vol. 3, №4, 2005, pp. 136-140.
  • K. Itoh, M. Horiguchi, and H. Tanaka, Ultra-Low Voltage Nano-Scale Memories, Series on Integrated Circuits and Systems, Springer, 2007, 400p.
  • M. D. Seeman and S. R. Sanders, “Analysis and Optimization of Switched Capacitor DC-DC Converters,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, №2, 2008, pp. 841-851.
  • S. Ben-Yaakov and M. Evzelman, “Generic and unified model of switched capacitor converters,” IEEE Energy Conversion Congress and Expo. (ECCE) 2009, pp.3501-3508.
  • S. Ben-Yaakov, "On the Influence of Switch Resistances on Switched Capacitor Converters Losses," IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011

Различные ППК на основе двоичной системы счисления

  • F. Ueno, T. Inoue, and I. Oota, “Realization of a new switched-capacitor transformer with a step-up transformer ratio 2n-1 using n capacitors,” ISCAS 1986, pp.805-808
  • J. A. Starzyk, Y.-W. Jan, and F. Qiu, “A DC-DC charge pump design based on voltage doublers,” IEEE Transactions on Circuits and Systems, Part I, Vol. 48, №3, 2001, pp. 350-359
  • F. L. Luo, and H. Ye, “Positive output multiple-lift push–pull switched-capacitor Luo-converters,” IEEE transactions on industrial electronics 2004, Vol. 51, №3, pp. 594-602
  • S. Ben-Yaakov and A. Kushnerov, “Algebraic foundation of self-adjusting switched capacitors converters,” IEEE Energy Conversion Congress and Expo. (ECCE) 2009, pp. 1582–1589.


Умножители напряжения[править | править исходный текст]

Делители напряжения[править | править исходный текст]

Фильтры[править | править исходный текст]

Фильтр низких частот[править | править исходный текст]

Рис.3 Схема RC-цепи и реализации её на переключаемых конденсаторах

На Рис.3 представлен классический фильтр низких частот на RC-цепочке. Частота среза RC-цепочки рассчитывается по формуле

 f_0=\frac{1}{2\pi \cdot R \cdot C}

Для схемы па переключающих конденсаторах частота среза рассчитывается с учетом замены резистора (см. "Замена резисторов в интегральном исполнении" ниже) по формуле

 f_0=\frac{1}{2\pi \cdot R \cdot C_2}=f_c \frac{C_1}{2\pi \cdot C_2}

где:

  •  f_0 — частота среза фильтра,
  •  C_1 и  C_2 — емкости конденсаторов,
  •  f_c — частота переключения конденсатора.

Полосовой фильтр[править | править исходный текст]

АЦП и ЦАП[править | править исходный текст]

Сигма-дельта АЦП и ЦАП[править | править исходный текст]

АЦП с двойным интегрированием[править | править исходный текст]

Преобразователи напряжение-частота[править | править исходный текст]

Устройство выборки и хранения[править | править исходный текст]

Усилители стабилизированные прерыванием[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Замена резисторов в интегральном исполнении[править | править исходный текст]

Рис.1 Иллюстрация закона Ома

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

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

где:

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

Сопротивление цепи рассчитывается по формуле

 R= \frac{U \cdot \Delta t}{\Delta Q} (2)
Рис.2 Иллюстрация переноса заряда переключаемым конденсатором

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

 Q= C \cdot U (3)

где:

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

Используя равенства (2) и (3) получаем

 R= \frac{U \cdot T}{C \cdot U}=\frac{T}{C}=\frac{1}{f \cdot C}

где:

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

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

Другие применения[править | править исходный текст]

Сдвиг (перенос) напряжения[править | править исходный текст]

См. также[править | править исходный текст]

Литература[править | править исходный текст]

  • М. Гауси, К. Лакер ; Перевод с англ. В. Д. Разевича; Под ред. В. И. Капустяна Активные фильтры с переключаемыми конденсаторами. — М.: Радио и связь, 1986.