Расчет выпрямителя, стабилизатора, расчетки (Lec 3-3)

Посмотреть архив целиком

Введение в схемы на переключаемых конденсаторах

Рис. 3-1.Простейший переключаемый конденсатор (ПК), чувствительный к паразитным емкостям. (Замкнутые состояния ключей не перекрываются во времени.)

Простейший переключаемый конденсатор (ПК) изображён на рис. 3-1. При Т1=1 – ПК заряжается до VDC1, на обкладках появляется заряд |Q1|=C*VDC1. При Т2=1 – заряд на обкладках |Q2|=C*VDC2. Разность зарядов Q1-Q2=C(VDC1-VDC2)=Q переходит в источник VDC2. Если ключи переключать с частотой FS , то за 1 сек. от источника VDC1 в источник VDC2 переходит заряд Q*FS I - средняя величина тока. Итак : I = С(VDC1-VDC2)FS . Эквивалентное сопротивление ПК: REFF = (VDC1-VDC2) / I = 1/(C*FS).

Недостаток простейшего ПК – существование переноса заряда не только на конденсаторе С, но и на паразитных ёмкостях ключей, включённых параллельно конденсатору С. Паразитные ёмкости - барьерные ёмкости диффузионных областей ключей в подложках, ёмкости перекрытия диффузионных областей c затворами и часть емкости инверсионного слоя относительно затвора. Эти ёмкости, во-первых, воспроизводимы с недостаточной точностью и, во-вторых, нелинейны.

Рис. 3-2. Неинвертирующий ПК, нечувствительный к паразитным ёмкостям.

Для устранения этого недостатка предложена другая схема коммутации конденсатора (см. рис. 3-2). Здесь Сp1 и Сp2 - паразитные ёмкости ключей. Пусть требуется передать заряд из VDC1 в VDC2. Ключи в положении 2: конденсатор С разряжен, обе обкладки заряжены до VDC3= VDC2; паразитные конденсаторы Сp1 и Сp2 также заряжены до напряжения VDC3= VDC2. Ключи в положении 1 : паразитный конденсатор Сp2 не перезаряжается; левая обкладка конденсатора С заряжается до VDC1, а правая – до VDC2. Заряды на обкладках, равные по абсолютной величине С(VDC1-VDC2) и противоположные по знаку, берутся из источников VDC1 и VDC2. Паразитный конденсатор Сp1 перезаряжается, но это не должно беспокоить, т.к. он служит источником заряда.

Следующее положение 2 : заряженный конденсатор С отключается от VDC2 и VDC1 и заряжается, унося, таким образом, от VDC1 и VDC2 равные по абсолютной величине C(VDC1- VDC2) и противоположные по знаку; результирующий эффект этого процесса – перенос заряда C(VDC1- VDC2) от источника VDC1 к источнику VDC2. Поскольку ни в каком такие паразитная ёмкость Сp2 не перезаряжается, то ее как бы нет !

Другим типом ПК, не чувствительного к паразитным ёмкостям, является инвертирующий ПК( рис. 3-3.)

Рис. 3-3. Инвертирующий ПК, нечувствительный к паразитным ёмкостям.

И здесь паразитный конденсатор Сp2 не перезаряжается ни в каком такте. Чтобы легче понять, почему ПК на рис. 3-3 называется инвертирующим, пусть значения VDC3= VDC2=0. В этом случае реализуется следующая ситуация. Ключи в положении 1 : левая обкладка конденсатора С заряжена до VDC1; заряд на левой обкладке равен С*VDC1. Правая обкладка имеет нулевой потенциал, но противоположный по знаку заряд, равный минус С*VDC1. Ключи в положении 2 : заряд на конденсаторе, напряжение на нем и его полярность во время переброса ключей в другое положение не изменились, т.к. во время переброса оба ключа были разомкнуты. Таким образом, результирующим эффектом процесса является перенос в источник VDC2 заряда, равного( – C*VDC1), т.е. имеющего знак, противоположный знаку источника VDC1.

Введение в CMOS (КМДП) аналоговые ключи

Одной из главных причин непрекращающихся усилий направленных на совершенствование аналоговых CМОS схем является уникальная способность CМОS проходных ключей коммутировать аналоговые сигналы (напомним что биполярный транзистор не годится для прецизионных проходных ключей так как даже в насыщенном состоянии на нем существует остаточное напряжение). Поскольку МОSТ –всего лишь управляемый затвором нелинейный резистор, то на МОSТ не остается остаточного напряжения , и им можно абсолютно точно коммутировать аналоговые сигналы).

Вначале рассмотрим ключ на одном NМОSТ . Пусть требуется зарядить разряженную до нуля емкость , до положительного потенциала VDC. Для этого к затвору NМОSТ приложили положительный потенциал VG. Пусть цифровая схема, подающая отпирающий потенциал на затвор, имеет напряжение питания, т.е. VG=VDDA. Пусть также VDC может принимать максимальный положительный потенциал VDC MAX = VDDA, и мы хотим зарядить конденсатор до потенциала VDDA.В этом случае электрод NМОSТ , соединенный с конденсатором , играет роль истока, а с VDC - стока . По мере заряда конденсатора и, следовательно, увеличения потенциала истока, уменьшается разность потенциалов затвор-исток VGS.

При уменьшении VGS до VTN, ток через NМОSТ прекратится, и емкость перестанет заряжаться, оставаясь заряженной только до потенциала VDDA- VTN. Итак, NМОSТ плохо коммутирует положительные потенциалы , близкие к VG. Аналогично рассуждая, придем к выводу, что PМОSТ сможет разрядить конденсатор от VDDA не до нуля, а только до VTP.

Если же соединить NМОSТ и PМОSТ параллельно, то потенциалы, близкие к нулю, хорошо коммутируются с помощью NМОSТ, а потенциалы, близкие к VDDA, хорошо коммутируются с помощью РМОSТ. Потенциалы в окрестности VDDA /2 коммутируются обоими МОSТ совместно . Итак , параллельна комбинация NМОSТ и PМОSТ выступает почти как идеальный ключ. Отличие от идеальности в наличии паразитного сопротивления в открытом состоянии и емкостной наводке при выключении ключа (см. будущие лекции).

Активные интеграторы на ПК

Рис.3-4. Активный инвертирующий итегратор с задержкой с простейшим ПК.

При Т2=1, потенциал верхней обкладки С1 должен стать равным нулю. Если пренебречь паразитной емкостью узла А, то единственным источником заряда минус (С1+Ср1+ Ср2)*VIN, компенсирующего заряд верхней обкладки С1, является левая обкладка С2. Таким образом, на левой обкладке C2 остается заряд, равный (С1+Ср1+ Ср2)*VIN. Поскольку обе обкладки С2 должны иметь равные по величине и противоположные по знаку заряды, то очевидно, что в правую обкладку С2 необходимо добавить заряд, равный (С1+Ср1+ Ср2)*VIN, но противоположный по знаку, и напряжение на выходе интегратора изменится на . Следует, однако, иметь в виду, что если напряжение на выходе интегратора закончит изменяться в N – й такт, то причиной этого изменения является значение VIN(N-1) в момент выборки на С1 (т.е. Т1=0) в (N-1) - м такте. Таким образом, можно строго записать:

Рис.3-5. Активный инвертирующий интегратор без задержки, не чувствительный к паразитным емкостям.

Для исключения влияния паразитных ёмкостей используют соответствующие ПК (см. выше). В активном интеграторе VDC3= VDC2=0 естественным образом. На Рис. 3-5 изображен активный инвертирующий интегратор без задержки.. Пусть VIN>0. Тогда при Т1=1 в узел А внесен заряд . Потенциал узла А становится положительным, что побуждает VOUT изменяться в отрицательную сторону; из левой обкладки С2 уходит отрицательный заряд, возвращая потенциал узла А к нулю. Этот заряд равен , поэтому на выходе ОУ потенциал изменится на .

Рис.3-6. Активный неинвертирующий интегратор с задержкой, не чувствительный к паразитным емкостям. Аналогично: пусть VIN>0. Тогда при Т1=1 в узел А внесен заряд . Потенциал узла А становится отрицательным, что побуждает VOUT изменяться в положительную сторону; из левой обкладки С2 уходит положительный заряд, возвращая потенциал узла А к нулю. Этот заряд равен , поэтому на выходе ОУ потенциал изменится на . В последней записи учтено, что ΔVOUT(N) имеет своей причиной значение VIN(N-1).






Реализация биквада на ПК (интуитивный подход).

Предположим, что резисторы имитируются переключаемым конденсатором (ПК) с частотой переключения Fs, много большей наивысшей частоты сигнала, поступаемого на вход фильтра. Тогда REFF =1/Cs*Fs. Здесь REFF – номинал эквивалентного резистора; СS – переключаемый конденсатор; FS – частота переключения. Заменим каждый резистор на ПК, причем любой резистор с именем Ri заменим на ПК с именем СSi.

Отметим , что все ПК не изолированы друг от друга . У некоторых ПК (CS1 и СS2), левые обкладки имеют одинаковый потенциал в любом из положений ключей ( 1 или 2) , что позволяет объединить "местные" ключи принадлежащие одному из ПК , в один общий , обслуживающий несколько ПК. Одинаковый потенциал имеют правая обкладка CS1 и левая обкладка CS4, правые обкладки CS2 и CS3 и левая обкладка CS5, правые обкладки CS4 и CS5. Благодаря этому счастливому обстоятельству, схему можно перерисовать в виде:


Отметим значительную экономию количества ключей . В результате данная схема имеет каноническую конфигурацию биквада на ПК.




Классические формулы для длинноканального MOST.

Крутая область: (1)

; - толщина подзатворного окисла (если это – не окисел, то значение заменить на требуемое); - подвижность носителей в канале (в этих формулах =const); - эффективные ширина и длина канала. - потенциалы затвора, истока и стока соответственно. Обозначают: (не путать с коэффициентом усиления по току в биполярном транзисторе). Также: - напряжение между затвором и истоком; - напряжение между стоком и истоком. Тогда: (1а). Пологая область: (2). В пологой области MOST выступает в качестве управляемого по затвору источника тока.

Нелинейная проводимость в крутой области между стоком и истоком (нелинейный резистор): (3). Крутизна нелинейного Источника Тока, Управляемого Напряжением (ИТУН) в пологой области: (4), или, учитывая (2), (5). Нелинейность ИТУН обусловлена зависимостью крутизны от тока в транзисторе (см. (5)). Пороговое напряжение:

(6). Здесь: - напряжение между подложкой и истоком; - потенциал Ферми.






Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.