Бабайцев Ф. ИБАСк-212 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
