Схемы на переключаемых конденсаторах

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

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 емкостей. 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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Делители напряжения[править | править вики-текст]

Фильтры[править | править вики-текст]

Фильтр низких частот[править | править вики-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 вики-текст]

АЦП и ЦАП[править | править вики-текст]

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

АЦП с двойным интегрированием[править | править вики-текст]

Преобразователи напряжение-частота[править | править вики-текст]

Устройство выборки и хранения[править | править вики-текст]

Усилители стабилизированные прерыванием[править | править вики-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 вики-текст]

Замена резисторов в интегральном исполнении[править | править вики-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 вики-текст]

Сдвиг (перенос) напряжения[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-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.
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.