1. Преобразователь с понижением напряжения

Регулирующий ключ работает в импльусном режиме, подавая напряжение импульсами на накапливающий энергию дроссель, который выступает как сглаживающий LC-фильтр.

Коэффициент заполнения – . Увеличение коэффициента заполнения приводит к увеличению и наоборот. Смотри рисунки.

Стабилизация с понижением напряжения

Всегда V_OUT < V_IN,

• Если уменьшается V_OUT => увеличивается t_on => дополнительный заряд на С => увеличение V_OUT.

• Если увеличивается V_OUT => уменьшается t_on => разрядка С => понижение V_OUT.

2. Преобразователь с повышением напряжения

Транзисторный ключ Q₁ заземлен. Дроссель не является элементом фильтра. Регулировка выходного напряжения происходит изменением времени включения Q₁.

Стабилизация с повышением напряжения

При включении Q₁ на L индуцируется V_IN с полярностью и снижается от начального максимума, D₁ принимает обратное смещение (чем дольше включен Q₁, тем меньше V_L), C очень мало разряжается через нагрузку.

При выключении Q₁ на L индуцируется обратное V и снижается от начального максимума, D₁ принимает прямое смещение, заряжая С до V > V_IN (обусловлено индукцией на L). Такие регулярные воздействия на t_on повторяются.

3. Инвертирующий преобразователь

Цепь D₁, R, C подключена параллельно дросселю, а не параллельно ключу.

Воспроизводит выходной напряжение обратной полярности по отношению ко входному. Амплитуда пульсация тем меньше, чем больше емкость конденсатора (дроссель не является элементом фильтра).

Инвертирующее воздействие на выходное напряжение

Включение Q₁ => увеличение напряжения на L до V_IN – V_CE(sat). D₁ смещен обратно => снижение напряжения на L от начального максимума.

Выключение Q₁ => реверсия напряжения на L. D₁ смещен прямо => зарядка С и возникновения –V_OUT.

Циклы включения-выключения Q₁, вызывают повторяющиеся зарядку и разрядку С, которые сглаживаются LC-фильтром.

Стабилизация напряжения инвертирующим преобразователем

При попытке уменьшить –V_OUT следом уменьшается t_on, увеличивается V_L, что компенсирует попытку снижения –V_OUT.

При попытке увеличения –V_OUT следом повышается t_on, понижается V_L, что компенсирует попытку повышения –V_OUT.

Выводы

• Рассмотрели распространенные базовые схемы ИЭП

• Отметили их достоинства, недостатки и возможные усовершенствования базовых схем

Лекция 10 Аналоговые коммутаторы

Класс D усилителей

Выходные транзисторы работают в ключевом режиме в ответ на управляющий аналоговый входной сигнал, а не работают линейно в непрерывном диапазоне входных значений (эффективность ~90%)

МОП-транзистор (транзистор с изолированным затвором, MOSFET) – управляются напряжением, так как, по причине изолированного затвора обладают очень высоким входным сопротивлением.

Широтно-импульсная модуляция

ШИМ

Входной сигнал

ШИМ – входной сигнал преобразуется в последовательность импульсов с длительностью импульса, изменяемой пропорционально амплитуде входного сигнала.

Длительность импульса тем больше, чем больше положительная амплитуда и меньше, чем больше отрицательная амплитуда.

Выходной сигнал – меандр, если выходной сигнал равен 0.

Базовая схема ШИМ

Компаратор, когда напряжение на инвертирующем входе больше, чем на неинвертирующем, переключается в отрицательное насыщенное выходное состояние и наоборот.

Вход – малый сигнал (мВ), выход – большой сигнал (±12 мВ).

Частотный спектр ШИМ

f_input – частота входного синусоидального сигнала;

fm – частота модулирующего треугольного сигнала

Результирующий спектр содержит f_input, основную частоту fm выходного сигнала и частоты гармоник выше и ниже основной частоты fm

fm>> f_input

Самая низкая частотная гармоника треугольного сигнала значительно выше диапазона частот входного сигнала.

Комплементарный каскад МОП-транзисторов

Комплементарная пара – последовательная пара n- и p- МОП-транзисторов (постоянное сопротивление не зависит от направления тока)

Q1 on: P_DQ = V_Q1I_L = (0 В)I_L = 0 Вт

Q2 on: P_DQ = V_Q2I_L = V_Q2(0 А) = 0 Вт

Pout = 2V_QI_L

ФНЧ для ШИМ

LC-фильтр

ПП такова, что ФНЧ удаляет модулирующую частоту fm и гармоники и пропускает на выход только исходный сигнал.

Выходной сигнал усилителя D-класса

3 этапа усиления аудио-сигнала:

1. Генерация ШИМ-сигнала на выходе модулятора – усиление напряжения;

2. Усиление ШИМ-сигнала в МОП-паре – усиление мощности;

3. Фильтрация ШИМ-сигнала для выделения усиленного аудио-сигнала с достаточной мощностью для динамика.

Типы переключателей

SPST – одна неполная группа контактов

SPDT – одна группа контактов

DPST – две неполных группы контактов

DPDT – две группы контактов

Pole = полюс Throw = направление

COM (Common) = общий (подвижный контакт переключателя)

NC (Normally Closed) = нормально замкнутый

NO (Normally Open) = нормально разомкнутый

МОП-транзистор с индуцированным каналом

Преимущества MOSFER:

• Высокое Rin

• Низкое Rout

• Короткое время переключения

E-MOSFET – МОП-Транзистор с индуцированным каналом, закрытым при V_GS = 0.

Для открытия канала нужно приложить к затвору определённой полярности – пороговое напряжение V_GS(th)

Аналоговые ключи на МОП-транзисторах

Пороговая характеристика V_GS(th):

V_GS<V_GS(th): МОП-транзистор включен – работает на нижнем конце нагрузочной кривой и действует как разомкнутый ключ (очень большое R_DS).

V_GS>V_GS(th): МОП-транзистор включен – работает на верхнем конце нагрузочной кривой в омической области как замкнутый ключ (низкое R_DS).

МОП-транзистор работает как ключ при V_GS(on)<V_GS<V_GS(th)

Идеальный ключ на МОП-транзисторах

Аналоговый ключ

Ограничение амплитуды сигнала – уровень сигнала истока не должен приводить к падению V_GS ниже V_GS(th):

V_GS = V_G – V_p(out) ≥V_GS(th)

Разница между напряжением затвора V_G и напряжением истока в момент отрицательного пика V_p(out) должна быть равна или больше, чем V_GS(th), чтобы МОП-транзистор оставался в области проводимости.

Устройства выборки-хранения

Аналого-цифровое преобразование (АЦП).

Аналоговый ключ для выборки входного сигнала с определённой скоростью.

Значение дискретизированного сигнала временно хранится на конденсаторе до преобразования в цифровой код с помощью АЦП.

Частота Найквиста:

f_sample(min)>2f_signal(max)

Аналоговые мультиплексоры

Аналоговые мультиплексоры – устройства для передачи двух или более сигналов на один выход.

Мультиплексирование с разделением по времени – чередование по времени для передачи по одной линии.

МОП-транзисторы – ключи:

• Импульсы на 3 ключа А

• Инвертированные импульсы на 3 ключа В (через инвертор).

А на выход – когда импульс высокий, а В на выходе – когда импульс низкий.

Схемы с использованием переключаемых конденсаторов

При проектировании ИМС – конденсаторы для эмуляции резисторов:

• Проще реализация;

• Занимают меньше места;

• Не рассеивают энергию.

Динамическое программирование аналоговых цепей

Переключаемые конденсаторы

Динамическое программирование коэффициента усиления

Величина эмулируемого конденсатором сопротивления

R = 1/(fC)

Зависит от частоты ключа и ёмкости.

Для замены резисторов в усилителе используются МОП-транзисторы + конденсатор.

Чтобы перепрограммировать усилитель на другой коэффициент усиления, меняются частоты переключения.

Цифровая коммутация с использованием МОП-транзисторов

Комплементарная пара (КМОП, CMOS) – последовательное соединение n- и p- канальных МОП-транзисторов с индуцированным каналом (схема инвертора на рисунке выше):

V_in = 0 Q₁ on, а Q2 off, на выходе V_DD

V_in = V_DD Q₂ on, а Q1 off, выход подключен к земле (0 В)

+ Малое потребление постоянного тока (on только один Q)

Вентиль И-НЕ (NAND)

Вентиль ИЛИ-НЕ (NOR)

Силовые МОП-транзисторы

Биполярные транзисторы:

• Требуют тока базы для включения;

• Медленные характеристики переключения;

• Тепловой разгон из-за отрицательного температурного коэффициента.

МОП-транзисторы:

• Управляются напряжением;

• Положительный температурный коэффициент;

• Может переключаться быстрее;

• Низкое сопротивление во включенном состоянии приводит к снижению потерь на проводимость.

Используются как драйвера двигателей, преобразователи, переключатели нагрузки. Требуют высокого тока и точного цифрового управления.

Применение:

Высокоскоростной USB/аудио коммутатор

Регулировка коэффициента усиления

TS5A3357 – 5 Ом SP3T (single-pole, triple-throw) аналоговый мультиплексор/демультиплексор в диапазоне напряжений от 1,65 В до 5,5 В

Примечание: В аналоговом исполнении мультиплексор и демультиплексор – одно и то же устройство, т.к. безразлично направление от входа к выходу.

SPDT – коммутатор DG403

Быстрое время переключение и низкий ток утечки DG403 обеспечивают более высокую тактовую частоту, следовательно более высокие рабочие частоты.

79