Загрузил fedorbabaitsev

Доклад Фильтры на переключаемых конденсаторах

реклама
Фильтры на переключаемых конденсаторах
Для начала разберём что такое конденсатор:
Конденсатор - это электронный компонент, используемый для накопления электрической
энергии в электрическом поле. Он состоит из двух проводящих пластин или электродов,
разделенных диэлектриком, который предотвращает прямое электрическое соединение
между пластинами. На схеме обозначается буквой C.
Конденсаторы используются в электронных схемах для различных целей, например:
1. Хранение энергии: конденсаторы могут аккумулировать энергию из источников питания и
выдавать ее в нужный момент времени, что особенно полезно для сглаживания
электрических сигналов.
2. Фильтрация: конденсаторы могут пропускать переменные или сигнальные частоты, а
блокировать постоянные или нежелательные высокочастотные составляющие сигнала.
3. Коррекция фазы и компенсация реактивной мощности: конденсаторы могут используется
для изменения фазы сигнала, а также для компенсации реактивной мощности в
электрической цепи.
На схемах электрических цепей конденсатор обычно изображается в виде двух параллельных
линий, при этом на одной линии находится положительный заряд (+), а на другой отрицательный заряд (-). Также часто указывается емкость (измеряемая в фарадах) и
напряжение, которые конденсатор может выдерживать.
Обозначения конденсаторов на эл. схемах:
Конденсаторы постоянной ёмкости обладают фиксированным значением ёмкости, которое
измеряется в фарадах (F). Ёмкость конденсатора определяет его способность накапливать
электрическую энергию. Чем больше ёмкость, тем больше энергии он может хранить.
Конденсаторы электролитические полярные - это особый тип конденсаторов, который имеет
одну проводящую пластину и одну пластину, покрытую слоем оксида металла. Они являются
полярными и должны быть подключены к схеме с определенной полярностью - правильно
подключить положительный и отрицательный выводы.
Конденсаторы электролитического типа часто используются для работы с постоянным и
переменным током, имеют большую ёмкость и широкий диапазон рабочих напряжений, но они
более объемные, чувствительны к высоким температурам и имеют ограниченный срок
службы.
Конденсатор электролитический неполярный - это специальный тип конденсатора, который
может быть подключен в любом направлении в схеме, без учета полярности. В отличие от
электролитических конденсаторов полярного типа, электролитические неполярные
конденсаторы имеют две проводящие пластины, покрытые слоем оксида металла, которые
связаны с обоими выводами.
Конденсатор переменной ёмкости, также известный как переменный конденсатор, имеет
возможность изменять свою ёмкость в определенном диапазоне. Он состоит из двух или
более проводящих пластин, разделенных диэлектриком, как и обычные конденсаторы, но
различается тем, что его ёмкость может быть регулирована.
Подстроечный конденсатор - это конденсатор с переменной ёмкостью, используемый для
точной настройки или подстройки параметров схемы. Он часто применяется в
радиоэлектронике, чтобы точно настроить на определенную частоту.
2
- Электролитические конденсаторы: используются для больших емкостей и катушек
индуктивностиных значений. Они имеют полярность (+/-) и используются для работы с
постоянным током.
- Керамические конденсаторы: обычно имеют маленькие емкости и используются для
фильтрации шумов на высоких частотах.
- Пленочные конденсаторы: используются для маленьких или средних емкостей, часто
используются в акустических и радиочастотных приложениях.
- Танталовые конденсаторы: имеют высокую емкость в небольшой форме и используются в
электронике, где объем и вес являются критическими факторами.
Это лишь некоторые из видов конденсаторов, существуют и другие типы, каждый со своими
особенностями и применением в разных областях.
Фильтры на переключаемых конденсаторах — это класс устройств дискретно-аналоговой
обработки сигналов, где входное напряжение дискретизируется только по времени, по уровню
же оно сохраняется непрерывным. В этот класс также входят линии задержки и умножители
напряжения на переключаемых конденсаторах. Первым и главным достоинством подобных
фильтров является простота регулировки частоты среза с помощью микропроцессорных
систем управления. Дело в том, что частота среза линейно зависит от подаваемой на фильтр
тактовой частоты. Да, да, не удивляйтесь, теперь и у аналогового фильтра есть тактовая
частота. Кстати, именно поэтому их иногда еще называют синхронными фильтрами. Второе
важное преимущество — отсутствие резисторов (о них мы поговорим чуть позже) и
индуктивностей в схеме фильтра. Известно, что резисторы больших номиналов трудно
реализовать в микросхемах. Более того, фильтр на переключаемых конденсаторах занимает
в 9 раз меньшую площадь на кристалле, чем его цифровой 8-разрядный эквивалент, и при
этом имеет лучшие параметры.
Транзистор - это полупроводниковый электронный компонент, который используется для
усиления или коммутации электрического сигнала. Он состоит из трех слоев
полупроводникового материала, таких как кремний или германий.
Основное предназначение транзистора - это усиление электрического сигнала. Он может
усилить слабый сигнал до достаточного уровня для приведения в действие устройств или
других компонентов. Транзистор также используется в цифровых электронных схемах для
коммутации (включения или выключения) электрических сигналов.
Обозначается буквами VT.
3
Резистор - это пассивный электронный компонент, предназначенный для сопротивления
потоку электрического тока. Он обладает определенным электрическим сопротивлением,
которое измеряется в омах (Ω), и уменьшает силу тока в электрической цепи. Резисторы
используются для различных целей, включая ограничение тока, установление заданного
уровня напряжения, управление светодиодами и т.д.
Что на счёт светодиодов.
Диод - это полупроводниковый электронный элемент, который позволяет пропускать
электрический ток только в одном направлении. Он состоит из двух слоев
полупроводникового материала - P-типа (анода) и N-типа (катода), разделенных переходом.
Диод обладает свойством односторонней проводимости, благодаря чему пропускает ток
только в одном направлении, из анода в катод.
Главное назначение диодов - выпрямление, то есть преобразование переменного тока в
постоянный. Кроме того, диоды могут иметь и другие применения, включая:
1. Защита от обратной полярности: диоды могут использоваться для защиты электронных
устройств от неправильного подключения источника питания.
2. Индикация: некоторые типы диодов, такие как светодиоды (LED), используются для
создания света и индикации в различных электронных устройствах.
3. Переключение: диоды могут быть использованы в электронных схемах для переключения
тока или сигналов.
4. Детектирование: диоды могут использоваться в детекторах или схемах демодуляции для
преобразования аналоговых сигналов в цифровые данные.
На схемах электрических цепей диод обычно изображается как стрелка или треугольник со
стрелкой, указывающей на направление протекающего тока.
Обозначается диод буквами: VD
4
Стабилитрон - это полупроводниковый прибор, который используется для стабилизации
напряжения в электрической цепи. Он предназначен для защиты других компонентов от
повышенного напряжения, подавления импульсных перенапряжений и поддержания
постоянного напряжения в определенном диапазоне.
Диод Шотки (Шоттки) - это полупроводниковый диод, который отличается от обычного p-n
переходного диода тем, что он имеет металлический контакт вместо полупроводникового p-n
перехода. Диод Шотки обладает низким падением напряжения и быстрым временем реакции,
что делает его идеальным для применений с высокими частотами, низкими токами и
требующих быстрого коммутации.
Фотодиод - преобразование световой энергии в электрический сигнал. Фотодиоды широко
используются в фотоэлектрических приборах, таких как фотоаппараты, солнечные батареи,
оптические счетчики и сенсоры.
Светодиод - преобразование электрической энергии в видимый свет. Светодиоды
используются для освещения, сигнализации, дисплеев, индикации состояния и других целей.
Они имеют большую энергоэффективность и долговечность по сравнению с обычными
электрическими лампами.
Катушка индуктивности - это электронный компонент, состоящий из провода или другого
материала, обмотанного в виде спирали или катушки. Она используется для создания
магнитного поля при прохождении электрического тока и обладает свойствами индуктивности,
то есть способностью накапливать энергию в виде магнитного поля.
Главное назначение катушки индуктивности - это создание и контроль магнитного поля.
Катушки индуктивности могут использоваться для различных целей, включая:
1. Фильтрация: они могут пропускать низкочастотные сигналы, а блокировать
высокочастотные шумы или помехи.
2. Усиление: катушки индуктивности могут использоваться в усилительных цепях для
усиления сигналов.
3. Сглаживание: они могут сглаживать резкие изменения тока в электрической цепи, что
способствует стабильности работы устройства.
4. Хранение энергии: они могут накапливать энергию в магнитном поле и выдавать ее при
необходимости.
5
Теперь, когда основные преимущества раскрыты, имеет смысл разобраться в принципе
действия такого фильтра. Прежде всего, рассмотрим обыкновенный RC-фильтр на ОУ (рис.
1).
Здесь частота среза зависит от двух физических величин — емкости конденсатора и
сопротивления резистора. Допустим, необходимо время от времени изменять параметры
фильтра. Нет проблем, — ответите вы, — ставим переменный резистор, и задача решена.
Однако согласитесь, изменить сопротивление микрометрового резистора на кристалле не так
уж и просто, не говоря о конденсаторе. Особенно, если это необходимо сделать с помощью
микроконтроллера. Не единственным, но лучшим решением данной проблемы является
замена резистора конденсатором и двумя ключами. На первый взгляд не понятно. Но, как и
всегда в подобных случаях, на помощь приходит математика. Чтобы понять, как работает эта
схема, рассмотрите рис. 2, на котором показан конденсатор, соединенный двумя ключами с
двумя источниками напряжения V2 и V1.
Если ключи S1 и S2 замыкаются в противофазе, то заряд, передаваемый от V2 к V1, выражается
формулой:
6
Если процесс переключения повторяется N раз во времени t, то количество заряда,
передаваемое в единицу времени, будет равно:
Слева мы видим отношение заряда к единице времени, что является определением тока i, а
справа — количество переключений, которое можно выразить частотой f. Переписанное
выражение будет иметь вид:
Переместив разность напряжений (падение напряжений) в левую часть уравнения, получим:
что доказывает, что данная схема является аналогом резистора. Величина сопротивления
обратно пропорциональна частоте переключения. Схема такого решения интегрального
фильтра приведена на рис. 3. Вместо ключей применены МОП-транзисторы, работающие в
противофазе. Здесь важно отметить, что противофазные сигналы не должны перекрываться
по времени, потому что в случае, если оба ключа замкнуты одновременно, схема теряет
работоспособность.
7
Скачать