Обширный класс схемотехнических решений основанный на периодической коммутации конденсаторов.

Наибольшее распространение получил с освоением в промышленности интегральных микросхем по технологии с оксидной изоляцией (например КМОП). Низкий уровень 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 емкостей. Такая ситуация быстро привела к выработке ряда специфических схемотехнических решений.

Надо заметить что решения на переключаемых конденсаторах и ранее применялись в дискретном исполнении в специальных случаях.

Зарядовые насосы (Charge pumps)

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 помошью системы переключателей. Название charge pump обычно означает маломощный повышающий преобразователь, в котором конденсаторы подключены к источнику тактовых импульсов, а роль переключателей выполняют диоды. Два логических состояния тактового импульса ("0" или "1") задают две фазы переключения (топологии) charge pump. К двух-фазным charge pumps относятся все диодные умножители напряжения, а также некоторые сложные преобразователи такие как Fibonacci Charge Pump и Multiple-Lift Luo Converters. Существуют также charge pumps с несколькими фазами переключения (multi-phase). В случае если charge pump 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.

Литература

Расчет потерь мощности ППК с помощью эквивалентого резистора

• J. C. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, Oxford, The Clarendon Press, pp. 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. 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. 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. 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. 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.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 2ⁿ-1 using n capacitors,” ISCAS 1986, pp.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. 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. 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. 1582–1589.

Умножители напряжения

Делители напряжения

Фильтры

Фильтр низких частот

На Рис.3 представлен классический фильтр низких частот на RC-цепочке. Частота среза RC-цепочки рассчитывается по формуле

Для схемы па переключающих конденсаторах частота среза рассчитывается с учетом замены резистора (см. "Замена резисторов в интегральном исполнении" ниже) по формуле

где:

• — частота среза фильтра,
• и — емкости конденсаторов,
• — частота переключения конденсатора.

Полосовой фильтр

АЦП и ЦАП

Сигма-дельта АЦП и ЦАП

АЦП с двойным интегрированием

Преобразователи напряжение-частота

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.

Гальваническая развязка

Замена резисторов в интегральном исполнении

Известно, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника (Закон Ома для однородного участка цепи). В то же время сила тока равна отношению заряда , переносимого через проводник за интервал времени .

и (1)

где:

• I — сила тока,
• U — напряжение или разность потенциалов,
• R — сопротивление.

Сопротивление цепи рассчитывается по формуле

(2)

Перенос заряда через конденсатор по схеме на рис.2 можно рассчитать по формуле

(3)

где:

• Q — заряд конденсатора,
• С — емкость конденсатора,
• U — разность потенциалов на обкладках конденсатора.

Используя равенства (2) и (3) получаем

где:

• Т — период переключения конденсатора,
• С — емкость конденсатора,
• f — частота переключения конденсатора.

Следовательно, сопротивление цепи с переключающим конденсатором обратно пропорционально произведению частоты переключения конденсатора на значение его емкости.

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

• М. Гауси, К. Лакер ; Перевод с англ. В. Д. Разевича; Под ред. В. И. Капустяна Активные фильтры с переключаемыми конденсаторами. — М.: Радио и связь, 1986.