ตัวเก็บประจุแบบสวิตช์

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ข้ามไปที่การนำทาง ข้ามไปที่การค้นหา

ตัวเก็บประจุแบบสวิตช์ ( SC )เป็น องค์ประกอบ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ตัวกรอง ทำงานโดยการย้ายประจุเข้าและออกจากตัวเก็บประจุเมื่อมีการเปิดและปิดสวิตช์ โดยปกติสัญญาณที่ไม่ทับซ้อนกันจะใช้ในการควบคุมสวิตช์ เพื่อไม่ให้ปิดสวิตช์ทั้งหมดพร้อมกัน ตัวกรองที่ใช้กับองค์ประกอบเหล่านี้เรียกว่า "ตัวกรองตัวเก็บประจุแบบสวิตช์" และขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่างความจุเท่านั้น ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานภายในวงจรรวมซึ่งตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่ระบุอย่างแม่นยำนั้นไม่ประหยัดในการสร้าง [1]

โดยทั่วไปแล้ววงจร SC จะถูกใช้งานโดยใช้เทคโนโลยีเมทัล-ออกไซด์–เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) กับตัวเก็บประจุ MOS และ สวิตช์ ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์ภาคสนามของ MOS (MOSFET) และโดยทั่วไปแล้วจะประดิษฐ์ขึ้นโดยใช้กระบวนการเสริม MOS (CMOS) การใช้งานทั่วไปของวงจร MOS SC ได้แก่ วงจรรวมสัญญาณผสม ชิปตัวแปลงสัญญาณ ดิจิทัลเป็นแอนะล็อก (DAC) ชิปตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ตัวแปลงสัญญาณตัวแปลงสัญญาณ พัลส์โค้ด (PCM) และระบบโทรศัพท์ดิจิตอล PCM . [2]

ตัวต้านทานตัวเก็บประจุแบบสวิตช์

ตัวต้านทานตัวเก็บประจุแบบสวิตช์

วงจรสวิตช์ตัวเก็บประจุ (SC) ที่ง่ายที่สุดคือตัวต้านทานตัวเก็บประจุแบบสวิตช์ซึ่งทำจากตัวเก็บประจุ C หนึ่งตัวและสวิตช์ S 1และ S 2 สองตัวซึ่งเชื่อมต่อตัวเก็บประจุด้วยความถี่ที่กำหนดสลับกับอินพุตและเอาต์พุตของ SC รอบการเปลี่ยนแต่ละครั้งจะโอนค่าบริการจากอินพุตไปยังเอาต์พุตที่ความถี่สวิตชิ่ง. ประจุqบนตัวเก็บประจุCที่มีแรงดันVระหว่างเพลตได้มาจาก:

โดยที่Vคือแรงดันตกคร่อมตัวเก็บประจุ ดังนั้น เมื่อปิด S 1ในขณะที่ S 2เปิดอยู่ ประจุที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุ C Sคือ:

เมื่อ S 2ปิด (S 1เปิดอยู่ - ไม่เคยปิดทั้งคู่พร้อมกัน) ประจุบางส่วนจะถูกถ่ายโอนออกจากตัวเก็บประจุ หลังจากนั้นประจุที่เหลืออยู่ในตัวเก็บประจุ C Sคือ:

ดังนั้นประจุที่ย้ายออกจากตัวเก็บประจุไปยังเอาต์พุตคือ:

เนื่องจากค่าธรรมเนียมqนี้ถูกโอนในอัตราfอัตราการโอนค่าบริการต่อหน่วยเวลาคือ:

(การถ่ายโอนประจุอย่างต่อเนื่องจากโหนดหนึ่งไปยังอีกโหนดหนึ่งจะเทียบเท่ากับกระแส ดังนั้นจึงใช้I (สัญลักษณ์สำหรับกระแสไฟฟ้า))

แทนqในข้างต้น เรามี:

ให้Vเป็นแรงดันไฟฟ้าข้าม SC จากอินพุตไปยังเอาต์พุต ดังนั้น:

ดังนั้นความต้านทานที่เท่ากันR (เช่น ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันกับกระแส) คือ:

ดังนั้น SC จึงมีพฤติกรรมเหมือนตัวต้านทานที่มีค่าขึ้นอยู่กับความจุC Sและความถี่สวิตชิ่ง .

ตัวต้านทาน SC ใช้แทนตัวต้านทานแบบธรรมดาในวงจรรวมเนื่องจากง่ายต่อการสร้างอย่างน่าเชื่อถือด้วยค่าที่หลากหลาย นอกจากนี้ยังมีประโยชน์ที่ค่าของมันสามารถปรับได้โดยการเปลี่ยนความถี่สวิตชิ่ง (กล่าวคือ เป็นค่าความต้านทานที่ตั้งโปรแกรมได้) ดูเพิ่มเติม: แอปพลิเคชั่นเครื่องขยายเสียงปฏิบัติการ

วงจรเดียวกันนี้สามารถใช้ในระบบเวลาที่ไม่ต่อเนื่อง (เช่น ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล) เป็นวงจรติดตามและพัก ในระหว่างเฟสนาฬิกาที่เหมาะสม ตัวเก็บประจุจะสุ่มตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าแอนะล็อกผ่านสวิตช์หนึ่ง และในเฟสที่สองจะแสดงค่าตัวอย่างที่เก็บไว้นี้ไปยังวงจรอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการประมวลผล

ผู้รวมระบบที่ไวต่อปรสิต

ตัวเก็บประจุแบบสลับตัวเก็บประจุแบบง่าย

วงจรตัวเก็บประจุแบบสวิตช์มักใช้เพื่อให้ได้รับแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นและการรวมเข้าด้วยกันโดยการเปลี่ยนตัวเก็บประจุตัวอย่างไปยัง op-amp ด้วยตัวเก็บประจุในการตอบรับ หนึ่งในวงจรแรกสุดของวงจรเหล่านี้คือผู้รวมระบบที่ไวต่อปรสิตที่พัฒนาโดย Bedrich Hosticka วิศวกรชาวเช็ก [3]นี่คือบทวิเคราะห์ แสดงโดยระยะเวลาการเปลี่ยน ในตัวเก็บประจุ

จากนั้น เมื่อ S1 เปิดและ S2 ปิด (ทั้งสองไม่เคยปิดพร้อมกัน) เรามีสิ่งต่อไปนี้:

1) เพราะเพิ่งเรียกเก็บเงิน:

2) เนื่องจากฝาข้อเสนอแนะถูกชาร์จด้วยประจุจำนวนมากในทันใด (โดย op amp ซึ่งค้นหาการลัดวงจรเสมือนระหว่างอินพุต):

ตอนนี้หาร 2) โดย:

และแทรก 1):

สมการสุดท้ายนี้แสดงถึงสิ่งที่เกิดขึ้นใน- เพิ่ม (หรือลด) แรงดันไฟฟ้าในแต่ละรอบตามประจุที่ "สูบ" จาก(เนื่องจากออปแอมป์)

อย่างไรก็ตาม มีวิธีที่สง่างามกว่าในการกำหนดข้อเท็จจริงนี้ ifสั้นมาก มาแนะนำและและเขียนสมการสุดท้ายใหม่หารด้วย dt:

ดังนั้นแรงดันเอาต์พุตของ op-amp จึงอยู่ในรูปแบบ:

นี่คือinverting invertingที่มี "ความต้านทานเทียบเท่า". สิ่งนี้ทำให้สามารถ ปรับ ออนไลน์หรือรันไทม์ได้ (หากเราจัดการเพื่อให้สวิตช์สั่นตามสัญญาณที่ได้รับจากไมโครคอนโทรลเลอร์)

ตัวรวมปรสิตที่ไม่ไวต่อการสัมผัส

ใช้ในระบบแยกเวลา

ตัวรวมสัญญาณที่ไม่ไวต่อปรสิตที่ล่าช้ามีการใช้งานอย่างกว้างขวางในวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกเวลา เช่นตัวกรอง biquadโครงสร้างต่อต้านนามแฝง และ ตัวแปลง ข้อมูลdelta-sigma วงจรนี้ใช้ฟังก์ชันโดเมน z ต่อไปนี้:

ตัวแปลงดิจิตอลเป็นแอนะล็อกแบบทวีคูณ

ตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อกแบบคูณ 1.5 บิต

คุณลักษณะที่มีประโยชน์อย่างหนึ่งของวงจรสวิตช์ตัวเก็บประจุคือสามารถใช้ทำงานหลายวงจรได้พร้อมๆ กัน ซึ่งเป็นเรื่องยากสำหรับส่วนประกอบเวลาที่ไม่ต่อเนื่องกัน ตัวคูณการแปลงดิจิทัลเป็นแอนะล็อก (MDAC) เป็นตัวอย่างที่สามารถนำอินพุทแอนะล็อกเพิ่มค่าดิจิทัลไปคูณมันด้วยปัจจัยบางอย่างตามอัตราส่วนของตัวเก็บประจุ ผลลัพธ์ของ MDAC มีดังต่อไปนี้:

MDAC เป็นส่วนประกอบทั่วไปในไปป์ไลน์แอนะล็อกไปยังตัวแปลงดิจิทัลที่ทันสมัย ​​เช่นเดียวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แอนะล็อกที่มีความแม่นยำอื่นๆ และถูกสร้างขึ้นครั้งแรกในรูปแบบข้างต้นโดย Stephen Lewis และคนอื่นๆ ที่ Bell Laboratories [4]

การวิเคราะห์วงจรสวิตช์ตัวเก็บประจุ

วงจรตัวเก็บประจุแบบสวิตช์จะถูกวิเคราะห์โดยการเขียนสมการการอนุรักษ์ประจุดังเช่นในบทความนี้ แล้วแก้ด้วยเครื่องมือพีชคณิตของคอมพิวเตอร์ สำหรับการวิเคราะห์ด้วยมือและเพื่อให้เข้าใจถึงวงจรมากขึ้น สามารถทำการ วิเคราะห์ กราฟการไหลของสัญญาณด้วยวิธีการที่คล้ายคลึงกันมากสำหรับวงจรตัวเก็บประจุแบบสวิตช์และวงจรเวลาต่อเนื่อง [5]

ดูเพิ่มเติม

อ้างอิง

  1. ^ Switched Capacitor Circuits , บันทึกย่อของหลักสูตร Swarthmore College, เข้าถึง 2009-05-02
  2. ^ Allstot, เดวิด เจ. (2016). "ตัวกรองตัวเก็บประจุแบบสลับ". ใน Maloberti ฟรังโก; เดวีส์, แอนโธนี่ ซี. (สหพันธ์). ประวัติโดยย่อของวงจรและระบบ: จาก Green, Mobile, Pervasive Networking ไปจนถึง Big Data Computing (PDF ) สมาคม วงจรและระบบ IEEE หน้า 105–110. ISBN 9788793609860.
  3. ^ B. Hosticka, R. Brodersen, P. Grey, "MOS Sampled Data Recursive Filters Using Switched Capacitor Integrators", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol SC-12, No.6, ธันวาคม 1977
  4. ^ Stephen H. Lewis et al., "A 10-bit, 20Msample/s Analog to Digital Converter", IEEE Journal of Solid-State Circuits, มีนาคม 1992
  5. ^ H. Schmid และ A. Huber "การวิเคราะห์วงจรตัวเก็บประจุแบบสวิตช์โดยใช้กราฟการไหลของสัญญาณจุดขับ" กระบวนการ Analog Integr Circ Sig (2018) https://doi.org/10.1007/s10470-018-1131-7 .