Просмотр кода страницы Схемы на переключаемых конденсаторах

'''Схемы на переключаемых конденсаторах''' — обширный класс [[Схемотехника|схемотехнических]] решений, основанный на периодической коммутации [[Электрический конденсатор|конденсаторов]].

Наибольшее распространение получил с освоением в промышленности [[Интегральная схема|интегральных микросхем]] по технологии с оксидной изоляцией (например, [[КМОП]]). Низкий уровень [[Электрический конденсатор|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.
<!--
По традиции большинство обычных аналоговых схем строится на основе [[операционный усилитель|операционных усилителей]], [[конденсатор]]ов и [[резистор]]ов. В настоящее время происходит повсеместная миниатюризация электронных устройств с массовым переходом на [[интегральные микросхемы]] (ИМС). При производстве ИМС определенную сложность представляет изготовление [[резистор]]ов в интегральном исполнении, а также точность изготовления таких резисторов и стабильность их характеристик при эксплуатации и различных температурах окружающей среды. Замена резисторов переключающими конденсаторами позволяет использовать интегральные технологии при проектировании аналоговых схем, повышает точность этих схем и делают возможность создавать [[ПАИС|программируемые аналоговые интегральные схемы]] (ПАИС).
-->

== Схемы с накачкой заряда ==
'''''Схемы с накачкой заряда''''' ({{lang-en|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 [[Генератор тактовых импульсов|источнику тактовых импульсов]], а роль переключателей выполняют [[диод]]ы. 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 ===
{{main|Умножитель напряжения}}

=== Делители напряжения ===
{{main|Делитель напряжения}}

== [[Фильтр (электроника)|Фильтры]] ==

=== [[Фильтр низких частот]] ===
[[Файл:Switched capacitors lowpass filter.svg|200px|мини|right|Схема [[RC-цепь|RC-цепи]] и реализации её на переключаемых конденсаторах]]

На рисунке справа представлен классический [[фильтр низких частот]] на RC-цепочке. Частота среза RC-цепочки рассчитывается по формуле
: <math> f_0=\frac{1}{2\pi \cdot R \cdot C}</math>

Для схемы на переключаемых конденсаторах частота среза рассчитывается с учётом замены резистора (см. «Замена резисторов в интегральном исполнении» ниже) по формуле
: <math> f_0=\frac{1}{2\pi \cdot R \cdot C_2}=f_c \frac{C_1}{2\pi \cdot C_2}</math>

где:
* <math> f_0 </math> — частота среза фильтра,
* <math> C_1 </math> и <math> C_2 </math> — ёмкости конденсаторов,
* <math> f_c </math> — частота переключения конденсатора.

=== [[Полосовой фильтр]] ===

== [[Аналого-цифровой преобразователь|АЦП]] и [[Цифро-аналоговый преобразователь|ЦАП]] ==

=== [[Сигма-дельта-модуляция|Сигма-дельта]] АЦП и ЦАП ===
=== АЦП с двойным интегрированием ===

=== [[Генератор, управляемый напряжением|Преобразователи напряжение-частота]] ===

== Устройство выборки и хранения ==
{{main|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.

== Замена резисторов в интегральном исполнении ==
[[Файл:Ohm's Law with Voltage source ru.svg|200px|thumb|right|Иллюстрация закона Ома]]

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

: <math> I= \frac{U}{R}</math> и <math> I= \frac{\Delta Q}{\Delta t}</math> (1)
где:
* ''I'' — сила тока,
* ''U'' — напряжение или разность потенциалов,
* ''R'' — сопротивление.
Сопротивление цепи рассчитывается по формуле
: <math> R= \frac{U \cdot \Delta t}{\Delta Q}</math> (2)

[[Файл:Switched capacitor charge transfer.svg|200px|thumb|right|Иллюстрация переноса заряда переключаемым конденсатором]]
Перенос заряда через конденсатор по схеме на рис.2 можно рассчитать по формуле
: <math> Q= C \cdot U</math> (3)
где:
* ''Q'' — заряд конденсатора,
* ''С'' — ёмкость конденсатора,
* ''U'' — разность потенциалов на обкладках конденсатора.

Используя равенства (2) и (3) получаем
: <math> R= \frac{U \cdot T}{C \cdot U}=\frac{T}{C}=\frac{1}{f \cdot C}</math>
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 ===

== См. также ==
* [[Квантование (обработка сигналов)]]
* [[Дискретизация]]
* [[Передискретизация]]
* [[Дельта-модуляция]]
* [[Сигма-дельта модуляция]]
* [[Теорема Котельникова]]
* [[Шум квантования]]
* [[Аналого-цифровой преобразователь]]
* [[Цифро-аналоговый преобразователь]]

== Литература ==
* {{книга
|заглавие = Активные фильтры с переключаемыми конденсаторами
|оригинал = 
|автор = М. Гауси, К. Лакер ; Перевод с англ. В. Д. Разевича; Под ред. В. И. Капустяна
|ссылка = 
|isbn = 
|страницы = 
|год = 1986
|издание = 
|место =  М.
|издательство = Радио и связь
}}

'''Расчет потерь мощности ППК с помощью эквивалентого резистора'''
* J. C. Maxwell, ''A Treatise on Electricity and Magnetism'', Oxford, The Clarendon Press, pp.&nbsp;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.&nbsp;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.&nbsp;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.&nbsp;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.&nbsp;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.&nbsp;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 2<sup>n</sup>−1 using n capacitors, " ISCAS 1986, pp.&nbsp;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.&nbsp;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.&nbsp;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.&nbsp;1582–1589.

{{rq|recat|sources|wikify}}

[[Категория:Базовые электронные узлы]]
[[Категория:Аналоговые системы]]