Экспериментальное исследование схемы переключаемых конденсаторов | Полный проект

В последние годы схемы с переключаемыми конденсаторами приобрели популярность благодаря их пригодности для использования в интегральных схемах.

Две основные проблемы, с которыми сталкиваются проектировщики микросхем:
1. Для реализации резистора большого номинала требуется большая площадь кристалла.
2. Возникают трудности при проектировании RC-активных цепей, имеющих точные постоянные времени.

Принцип переключаемого конденсатора

В схеме с переключаемым конденсатором обе эти трудности можно обойти путем моделирования резистора с конденсатором, занимающим меньшую площадь кристалла. Кроме того, постоянная времени зависит от высокостабильной частоты кварцевого генератора и номинальных конденсаторов.

Основной принцип моделирования резистора с переключаемым конденсатором показан на рис. 1.

Предположим, первоначально SPDT switch (S) подключает конденсатор (C) к напряжению (V) на контакте 1. Заряд (Q), полученный конденсатором, равен:
Q = C .V … …(1)

Если switch теперь переместить на контакт 2, конденсатор полностью разряжается и заряд конденсатора переходит на землю.

Если switch перемещается вперед и назад очень быстро с частотой f или периодом времени T (=1/f), средний ток, протекающий через измеритель тока, будет:
I=C .V/ T … …(2)
или,
V/I = 1/C.f… (3)

Из уравнения (3) ясно, что переключаемый конденсатор имитирует резистор (R), определяемый формулой:
R= 1/ С.ф … …(4)

Поскольку переключение невозможно выполнить вручную, вам потребуется электронный switch. IC CD4066 (IC1) включает в себя четыре таких двунаправленных аналоговых переключателя CMOS в одном корпусе. Электронный switch имеет терминал управления, помимо двух терминалов ввода/вывода (I/O). На входные контакты разрешения (контакты 5 и 13) подается униполярный прямоугольный сигнал (тактовый сигнал), имеющий два дискретных уровня напряжения. Когда управление находится на логическом уровне 0 (0 В), switch открыто, а когда управление находится на логическом уровне 1 (12 В), switch закрыто. Используя два таких переключателя, можно построить необходимый SPDT switch, как показано на рис. 2. Когда один switch закрыт, другой приходится держать открытым, и наоборот. Это означает, что вы должны управлять двумя терминалами управления дополнительными тактовыми импульсами.

Схема переключаемого конденсатора

Таймер IC NE555 (IC2) работает в нестабильном режиме для генерации прямоугольного сигнала. Коэффициент заполнения 50% достигается за счет равнозначных временных резисторов (R4=R5) и диода D1. Операция инвертирования (НЕ) традиционно выполняется транзистором Т1 (2N3904) для генерации дополнительных тактовых импульсов. Частотомер может считывать фактическую частоту.

Строительство и усиление; тестирование

Вам следует провести эксперимент на макете. Подключите подходящий конденсатор (C2) для создания необходимой испытательной частоты между выводом 2 IC2 (NE555) и землей. Подключите тестовый конденсатор C1 (предпочтительно майларовый или тефлоновый конденсатор) между контактом 2 (соединенным с контактом 3) микросхемы IC1 и землей.

Отрегулируйте триммер VR1 на 3 В. Это напряжение подается на вывод 1 микросхемы IC1. Подключите испытательный конденсатор (С1) и запишите показания частоты и тока на частотомере и микроамперметре соответственно. Рассчитайте сопротивление (R) по соотношению:
Р=В/Я

Теперь проверьте, удовлетворяет ли это значение уравнению (4).

Запишите наблюдения для различных комбинаций f и C в виде таблицы.

Конечные значения сопротивления включения аналоговых переключателей (около 80 Ом) и сопротивления микроамперметра (обычно 1–2 кОм) будут вытеснены if, вы моделируете резистор высокого номинала.

Статья была впервые опубликована в декабре 2003 года и недавно обновлена.