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電容電感區(qū)別在哪里?特性差異是什么?可編程的模擬開關(guān)電容如何設(shè)計(jì)?

2017年06月02日 09:05 網(wǎng)絡(luò)整理 作者: 用戶評(píng)論(0

  電容電感區(qū)別在哪里?特性差異是什么?

  電容

  定義:由兩塊金屬電極之間夾一塊絕緣電介質(zhì)構(gòu)成。當(dāng)在兩金屬電極間加上電壓時(shí),電極就會(huì)存儲(chǔ)電荷,所以電容器是儲(chǔ)能元件。

  有哪些作用

  1.隔直流通交流。

  2.在充放電過程中,兩極的電荷有個(gè)積累的過程,因此,電容器的電壓不能突變。

  電容

  電感器

  是能把電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)的元件。 它只阻礙電流的變化。電感器在沒有電流時(shí),接通電路將阻礙電流流過,有電流時(shí),斷開電路將試圖維持電流不變。

  作用

  隔交流通直流。

  電感

  誰(shuí)超前誰(shuí)滯后

  這里用通俗點(diǎn)的理解

  電容是兩個(gè)電極板,在兩極加上電源時(shí),正電荷和負(fù)電荷堆積在兩個(gè)極板上,然后兩個(gè)極板才會(huì)產(chǎn)生電壓。所以是電流超前電壓。

  電感是一個(gè)線圈,會(huì)阻止電流的變化,因此電流滯后電壓,又叫電壓超前電流。

  可編程模擬開關(guān)電容如何設(shè)計(jì)?

  開關(guān)電容電路能把模擬和數(shù)字功能集成在單芯片上,這就是目前的片上系統(tǒng)。傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理電路采用持續(xù)時(shí)基電路,包括電阻、電容和運(yùn)算放大器。持續(xù)時(shí)基模擬電路使用電阻比、電阻強(qiáng)度或電阻值、電容值等設(shè)置轉(zhuǎn)移函數(shù)。采用MOS技術(shù)的電阻和電容絕對(duì)準(zhǔn)確性對(duì)實(shí)施模擬處理功能來說并不夠好。不過,相對(duì)而言,用MOS獲得的電容準(zhǔn)確性還能夠接受。此外,制造高精度小型電容相對(duì)比較簡(jiǎn)單,用MOS技術(shù)占用的空間相對(duì)于電阻而言比較少。因此,我們認(rèn)為開關(guān)電容電路目前將逐漸取代傳統(tǒng)的持續(xù)時(shí)基電路。

  工作方式

  James Clerk Maxwell最早于1873年介紹了用電容仿真電阻的技術(shù),當(dāng)時(shí)他將電流計(jì)與電池、安培計(jì)和電容串聯(lián),并定期逆變電容,從而檢測(cè)出電流計(jì)的電阻。類似的方法也曾用于開關(guān)電容電路。通過MOS開關(guān)控制電荷流進(jìn)出,開關(guān)電容電路可用電容仿真電阻。控制電荷流定義了電流,從而定義了電阻。以下電路顯示了電荷通過電阻和開關(guān)電容的流動(dòng)情況。

濾波器也可被看作另一個(gè)例子。如果用開關(guān)電容電路設(shè)計(jì)濾波器,我們只需同樣改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)其截止頻率。

  圖1:電荷通過電阻和開關(guān)電容的流動(dòng)情況。

  如果我們計(jì)算圖1(a)中通過電阻的電流,應(yīng)采用以下方程式:

  i= V/R ------(1)

  在圖1(b)中,?1和?2是非重疊時(shí)鐘。?1關(guān)閉時(shí),?2打開,電容充電至電壓V。存儲(chǔ)在電容中的電荷可由以下方程式得出:

  q = CV-----(2)

  現(xiàn)在,?1打開而?2 關(guān)閉,存儲(chǔ)在電容中的電荷移動(dòng)至接地。就每對(duì)精確時(shí)序開關(guān)閉合而言,都要移動(dòng)量子電荷。如果開關(guān)頻率由fS得出,則通過電路的電流可由以下方程式得出。

  i = q/t = qfS = fSCV ------(3)

  我們比較方程式1和3,可得到:

  R = 1/fSC --- --(4)

  需要注意的重要一點(diǎn)是,等效電阻同電容值和開關(guān)頻率成反比。這說明只需改變電容值或開關(guān)頻率就能改變電阻值。在任何采用數(shù)字資源的系統(tǒng)中,我們都能非常方便地修改開關(guān)頻率,進(jìn)而修改電阻。

  PSoC的開關(guān)電容

  賽普拉斯的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)器件使用開關(guān)電容電路來實(shí)現(xiàn)可編程模擬功能。在PSoC中,模擬開關(guān)電容塊圍繞軌到軌輸入輸出、低偏置和低噪聲運(yùn)算放大器而構(gòu)建。大多數(shù)模擬電路在輸入和反饋路徑中都包括一些電容和電阻。如果上述組件的值及其連接到運(yùn)算放大器的方式可以編程,那么我們就能讓其根據(jù)我們的需要發(fā)揮作用,也就是說可以讓其發(fā)揮反相放大器、非反相放大器、過濾器、積分器等不同作用。以下是PSoC中可用的一般性開關(guān)電容電路的方框圖:

濾波器也可被看作另一個(gè)例子。如果用開關(guān)電容電路設(shè)計(jì)濾波器,我們只需同樣改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)其截止頻率。

  該模塊包含二進(jìn)制加權(quán)開關(guān)電容陣列,使用戶能實(shí)現(xiàn)電容加權(quán)的可編程性。在圖2中,控制字段BSW可讓BCap作為開關(guān)電容或電容??删幊痰?BCap開關(guān)電容連接到運(yùn)算放大器的總和節(jié)點(diǎn)。AnalogBus(模擬總線)開關(guān)將運(yùn)算放大器的輸出與模擬緩沖相連接。CompBus(比較器總線)開關(guān)將比較器與數(shù)字塊相連接。輸入多路復(fù)用器能從外部輸入、某些其他模擬塊輸出和內(nèi)部參考等輸入源中進(jìn)行選擇??刂婆渲玫目刂?a href="http://www.ttokpm.com/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器也有不同選擇。由于寄存器位控制所有事項(xiàng),因此我們即便在運(yùn)行時(shí)也能改變功能。這樣,同樣的塊就能根據(jù)用戶的應(yīng)用需要而發(fā)揮不同的作用。

  反相放大器實(shí)施方案示例

  以下是用普通開關(guān)電容電路實(shí)施反相放大器的示例,如圖3所示:

濾波器也可被看作另一個(gè)例子。如果用開關(guān)電容電路設(shè)計(jì)濾波器,我們只需同樣改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)其截止頻率。

  圖3: 用普通開關(guān)電容電路實(shí)施反相放大器的示例。

  本放大器包括運(yùn)算放大器、輸入電容(CA)、反饋電容(CF)和五個(gè)開關(guān)。

  本電路工作分為兩個(gè)不同的階段——采集階段和電荷轉(zhuǎn)移。

  在采集階段,電路如下所示:

濾波器也可被看作另一個(gè)例子。如果用開關(guān)電容電路設(shè)計(jì)濾波器,我們只需同樣改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)其截止頻率。

  圖3(a):采集階段的電路圖。

  在本階段,電容的所有電荷接地,唯一的例外在于,CF上由于輸入偏置電壓緣故有些電荷。CA的輸入側(cè)設(shè)為接地,CF的輸出側(cè)也設(shè)為接地。不過由于電荷方向在采集中不同,因此在電荷轉(zhuǎn)移階段消除了偏置效應(yīng)。由于采集階段自動(dòng)進(jìn)行上述檢測(cè),因此又稱作“自動(dòng)歸零”調(diào)整。

  在電荷轉(zhuǎn)移階段,電路如下所示:

濾波器也可被看作另一個(gè)例子。如果用開關(guān)電容電路設(shè)計(jì)濾波器,我們只需同樣改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)其截止頻率。

  圖3(b):電荷轉(zhuǎn)移階段的電路圖。

  輸入電容中存儲(chǔ)的電流量CA計(jì)算如下:

  q = VinCin -----(5)

  電荷只能通過CF移出,因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸入阻抗很高。因此,如果通過CF 傳輸?shù)碾姾闪繛閝,那么輸出電壓為:

  Vout = -q/CF ------(6)

  以上方程式中的“-”取決于從接地(虛擬接地)到運(yùn)算放大器輸出電荷的方向。

  用方程式5和6,我們得到增益如下:

  Vout/Vin = -CA/CF ----- (7) 標(biāo)準(zhǔn)反相放大器方程式

  不同電路都能用同樣的普通開關(guān)電容塊創(chuàng)建,滿足過濾器、比較器、調(diào)制器和積分器等不同設(shè)計(jì)模塊的要求。

  可編程模擬解決方案示例

  我們接下來考慮以下開關(guān)電容積分器:

濾波器也可被看作另一個(gè)例子。如果用開關(guān)電容電路設(shè)計(jì)濾波器,我們只需同樣改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)其截止頻率。

  圖4:開關(guān)電容積分器。

  以下方程式定義了本積分器的輸出電壓:

  Vout = Vout z-1 + VinCA/CF -----(8)

  根據(jù)方程式8,轉(zhuǎn)移函數(shù)為:

  Gain = Vout/Vin = CA/CF(1-z-1) = 1/s(fsCA/CF) -----(9)

  根據(jù)方程式9,我們可以發(fā)現(xiàn),增益取決于電容值和開關(guān)頻率。上述任何一項(xiàng)變化都會(huì)改變積分器的增益。

  下面,假設(shè)我們一開始設(shè)計(jì)積分器增益為2,隨著需求的變化,希望增益為3,那么我們只需將開關(guān)頻率調(diào)節(jié)為原先的1.5倍即可。

  濾波器也可被看作另一個(gè)例子。如果用開關(guān)電容電路設(shè)計(jì)濾波器,我們只需同樣改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)其截止頻率。

  本文小結(jié)

  我們可以非常容易地看出上述設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)所在??删幊探鉀Q方案能加快產(chǎn)品投放市場(chǎng)的速度。集成式運(yùn)算放大器配合可編程電容開關(guān)使我們?cè)诓淮蠓?改動(dòng)原理圖或板布局的情況下就能改變?cè)O(shè)計(jì)功能,而固定功能塊實(shí)施方案則無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。從以上示例中,我們可以看出大多數(shù)模擬電路的基本構(gòu)建塊由運(yùn)算放大 器以及一些開關(guān)電容組成,我們可通過系統(tǒng)中的其他數(shù)字電路控制這些開關(guān),只需改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)電阻值,從而體現(xiàn)出片上模擬解決方案的可編程屬性。高度 集成加上可編程性所帶來的出色靈活性有助于節(jié)約BOM,減少板上空間占用,而且在任何設(shè)計(jì)階段無需太多努力就能修改設(shè)計(jì)方案。

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