高等电路分析5_switching_circuit

2开关网络分析 刘明亮 开关电容电路从入门到精通 人民邮电出版社 2008李兰友 开关电容网络 电子工业出版社 1985陆明达 开关电容滤波器的原理与设计 科学出版社王水平 开关稳压电源 西安电子科技大学 1997 通信和信号处理方面 开关电容网络 SC放大器 SC滤波器 SC振荡器 SC模数和数模转换器开关电流电路 SI积分器 SI滤波器 高频性能好 电流求和简单电力电子工程方面开关电源各种控制电路 开关网络应用 contents 开关电容开关电容子电路开关电容电路应用开关电流电路开关电源 2 1开关电容网络 利用电荷的存储和转移来实现对信号的各种处理功能 TheoriginoftheSCprinciplewasfirstreportedbyMaxwellaround1973 由MOS开关 MOS电容和MOS运放三种元件构成 采用MOS工艺制作 尺寸小 功耗低 工艺过程比较简单 易于大规模集成适用于对模拟信号施行精确的线性化处理 在高品质MOS单片集成filter的设计与应用已经独占鳌头SC电路应用多元化 逐渐成为仪器设备 数字音频 无线通信 电源管理 传感器等诸多应用领域中设计首选 信号处理电路和电力电子电路中应用大量的开关 开关电路是指具有 接通 和 断开 两种状态的电路 一般为二极管 晶体管 晶闸管等半导体开关 逻辑门电路 双稳态触发器也都是开关电路 MOSFET开关可采用CMOS NMOS PMOS传输门三种方法之一来实现MOS开关是压控电阻 希望导通电阻小 断开电阻大 2 1 1MOS开关 NMOS开关管 CMOS开关 采用MOS技术制作电容 称为MOS电容 电容值随着MOS栅源电压的变化而显著变化 实际工程中 MOS集成电容几乎全是采用几何精度高的多晶硅来实现 2 1 2MOS电容 许多应用中传递特性取决于电容量的比值 因此花气力在减小电容失配误差 是模拟电路中最重要 最为工程师重视的元件 EarlyOpAmpsinthe1940swereimplementedwithvacuumtubes ThefirstmonolithicsiliconOpAmpwasdevelopedintheearly1960 sbyRobertJ WidlaratFairchild In1968thepopularuA741OpAmpbecometheindustrialstandard Today thecostofageneralpurposeOpAmpislessthanthepriceofacheapcupofcoffee 2 1 3MOS运算放大器 构成 输入级 差动放大 中间驱动级 含频率补偿和电平移位 输出级 射随级 2 2开关电容子电路 是模拟开关和电容的组合 是电子电路的一类新元件 LargeresistorsinactiveRCfiltersareNOTpracticalinICLargeareaAccuratecontrolofRverydifficultCircuittechniquetosolvetheproblemReplaceresistorswithcapacitors Switchedcapacitor开关电容技术首先的设想是用开关电容取代电阻 2 2 1用开关电容电路模拟的电阻 对寄生电容不敏感的模拟电阻 1 1 1 2 2 并联型模拟电阻 Iffclock frequencyofinterests SCisactingasaresistor 工作原理是 电容器在开关控制下被充电 放电 计算其平均电流 当开关频率足够快时 该电流等效于流过电阻的电流 模拟电阻值取决于电容大小和开关频率 模拟电阻越大 所需C值越小 占用芯片的面积越小 C 0 5pF fclock 200kHz 则Req 10M 标准CMOS工艺 2开关1电容占硅片面积 0 01mm2 10M 的硅成型电阻占1 0mm2 开关电容的电阻作用与常规电阻中的两点重要区别 1 开关电容二端口之间流通的是电荷 而常规电阻两端之间流通的是电流 2 开关电容转移的电荷量与二端口不同时刻的电压值有关 而常规电阻中流通的电流与其两端的同一时刻的电压值有关 2 2 2开关电容积分器 放大器 During 1Q C1V1 C2VoDuring 2Q 0所以 C1V1 C2Vo 0 电荷守恒 所以 对于同一个开关电容电路的结构 当改变控制各开关的时钟的相位时 可以得到不同的电路功能 2 2 3CMOS采样保持电路 带有输入 输出电压缓冲的开环S H 由MOS开关 MOS电容和MOS运算放大器组成 SCF虽然在离散域工作 但仍属模拟滤波器之列 SCF可直接处理模拟信号 而不必像数字filter那样需要A D D A变换 简化了电路设计 提高了系统的可靠性 有源RC滤波技术已有效地取代了电感器 开关电容技术的设想当然是试图用开关电容 SC 来取代电阻器 MOS器件在速度 集成度 相对精度控制和微功耗等方面都有独特的优势 为SCF的迅猛发展提供了很好的条件 1977年发表了采用NMOS工艺和开关电容技术构成的话路滤波器 1978年Intel公司首先制成器件 从而进入实用 2 3开关电容电路应用 2 3 1开关电容滤波器 影响滤波器频率响应的时间常数取决于时钟频率和电容比值C2 C1 而与电容的绝对值无关 MOS工艺电容比值精度可达0 01 温度稳定性好 温漂系数可达10ppm C 精度只0 1 按标准工艺制造 通常能够满足音频范围应用要求 下图所示开关电容组成的低通滤波电路 时钟 的频率为f 求网络函数及截止频率 通用SCF芯片 如MAX291 MAX260 TLC14C LMF40 2 3 2开关电容振荡器 由MOS开关 MOS电容和MOS运算放大器构成 比一般RC振荡电路有较高的频率准确度与稳定度 振荡器振荡频率仅与电路中电容比值C2 C1有关 而与电容的绝对值无关 当需要改变振荡频率时 只要改变时钟频率即可 振荡频率与时钟频率成正比 补充 RC串并联选频网络 文氏电桥振荡器 桥路平衡时 只有Rt 2R1时才能保证起振 Rt是具有负温度系数的热敏电阻 开关电容文氏电桥振荡器 移项式开关电容振荡器 开关电容代替2个电阻R 三种基本的SCDC DC变换器 降压型 buck 升压型 boost 升降压型 buck boost 常称为电荷泵 chargepump 2 3 3开关电容DC DC变换器 其他应用 开关电容数据转换器SC 调制器 三种基本的非隔离DC DC开关电源 Vo Vin D Vo Vin 1 D Vo Vin 降压型电路 Vo Vin 升压型电路 开关闭合时 电感被充电 IL线性增加 V0上整下负 开关断开时 IL方向不变 略有降低 一周期内V0 I0几乎不变 开关断开时对电感的充电电路与buck型相同 Vo Vin D 1 D Vo Vin D 1 D VoVin当D 0 5 buck boost电路 状态平均法分析boost电路 Vin Vo L Io S D 开关闭合时 开关断开时 R R0 u i 状态平均后 直流稳态时可得输出电压 Buck Boost电路工作原理 S1S2 UL IL Vin Vo Io D 1 D T 根据L的伏秒平衡原则 Vin DT Vo 2Vd 1 D T Vo Vin D 1 D 2Vd L Io Vo 2Vd 1 D T Vds1 根据L在 1 D T时间的基本方程 Io Vo 2Vd 1 D T L Vds2 Vin Vo 三种基本的隔离开关电源 Vin Vo S Lm D Vin Vo L S D1 D2 Vin Vo L S1 D1 D2 S2 正激型变换器 反激型变换器 桥式变换器 Vin Vo L S1 D1 D2 S2 半桥变换器 桥式变换器 BridgeTypeConverter Vin Vo L S1 D1 D2 S2 全桥变换器 Vin Vo L S1 D1 D2 S2 推挽变换器 Vin Vo S1 D2 S2 半桥变换器 倍流整流 三种调制方式PWM PulseWidthModulationPFM PulseFrequencyModulation混合调制计算方法 状态平均法 2 4开关电流电路 开关电流电路是1989由J B Hughes等人提出的 SI电路的信号用电流表示 所需电压摆幅不大 电路可以在低压低功耗下工作 电流转移函数取决于MOS管的尺寸和开关频率 与电容值无关 不需要线性浮置电容 更适合于CMOSVLSI工艺 用于滤波器时不需要运算放大器 因而比SCFilter电路更简单 应用 集成滤波器 A D和D A转换器 模拟信号处理 SI电路是当前低压低耗大规模集成电路重要实现技术之一 2 4 1基本原理 MOS集成电路有一个独特的性质 即利用栅极和源极之间的电容 能在一定的时间内在栅极节点上存储信息 而且可以不断地 无损的读出 由此特性引出的电流存储单元是各种电流电路的基础 电容C可以由MOS管的栅 源寄生电容充当 当开关闭合时 恒流源给电容C充电 MOS管导通后恒流电流全部流过MOS管 此时 若开关断开 由于电容电压不变 MOS管将继续导通 电流存储与延迟单元 2个单元级联 延迟1个周期 也可说是取样和保持电路 延迟0 5个周期 同相无耗积分器 反相阻尼放大器 反相微分器 2 5开关电源 把直流电源或交流电源转变为一个稳定的直流电压源 开关电源中的调整管工作在截止区和饱和区 开关电源变压器和普通电源变压器有很大的差异 铁芯因工作频率高 大都采用铁氧体磁芯 磁芯大小与工作频率的平方成反比 频率越高铁心体积越小 效率高 绕组都采用高强度漆包或纱包铜线 由于它直接控制直流 效率比线性电源高 典型PC电源 70 75 而线性稳压电源仅50 左右 缺点 电路复杂 维修困难 电源噪声大 不适合用于某些低噪声电路 AC DC型 输入端将交流电整流变成直流电 再在高频振荡电路的作用下用开关管控制电流的通断 形成高频脉冲电流 依靠高频变压器电压变换 输出稳定的低压直流电 DC DCDC AC逆变电源 AC DC开关电源原理示意图 从高压滤波电容出来的电压波形 经过开关管后的波形 经过变压后的波形 低压整流后的波形 最终需要的电压 DC AC逆变器 随着石油 煤和天然气等主要能源的大量使用 新能源的开发和利用越来越得到人们的重视 利用新能源的关键技术 逆变技术能将蓄电池 太阳能电池和燃料电池等其它新