19-10-2023
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.
Содержание |
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 помошью 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.
Расчет потерь мощности ППК с помощью эквивалентого резистора
Различные ППК на основе двоичной системы счисления
На Рис.3 представлен классический фильтр низких частот на RC-цепочке. Частота среза RC-цепочки рассчитывается по формуле
Для схемы па переключающих конденсаторах частота среза рассчитывается с учетом замены резистора (см. "Замена резисторов в интегральном исполнении" ниже) по формуле
где:
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.
Известно, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника (Закон Ома для однородного участка цепи). В то же время сила тока равна отношению заряда , переносимого через проводник за интервал времени .
где:
Сопротивление цепи рассчитывается по формуле
Перенос заряда через конденсатор по схеме на рис.2 можно рассчитать по формуле
где:
Используя равенства (2) и (3) получаем
где:
Следовательно, сопротивление цепи с переключающим конденсатором обратно пропорционально произведению частоты переключения конденсатора на значение его емкости.
Схемы на переключаемых конденсаторах.