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.

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

Зарядовые насосы (Charge pumps)

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

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

Делители напряжения

Фильтры

Фильтр низких частот

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

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

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

Сдвиг (перенос) напряжения

См. также

• Квантование (обработка сигналов)
• Дискретизация
• Передискретизация
• Дельта-модуляция
• Сигма-дельта модуляция
• Теорема Котельникова
• Шум квантования
• Аналого-цифровой преобразователь
• Цифро-аналоговый преобразователь

Литература

• 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.

Для улучшения этой статьи желательно?: Проставить для статьи более точные категории. Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное. Викифицировать статью.