1.5.2. Неинвертирующий переключаемый конденсатор без задержки,

не чувствительный к паразитным емкостям

Для устранения влияния нелинейных паразитных конденсаторов на эффективную емкость переключаемого конденсатора (ПК), предложена другая схема коммутации ПК, представленная на рис. 1.11. Здесь и– паразитные ёмкости аналоговых ключей, подключенные соответственно к левой и правой обкладкам ПК.

Требуется передать заряд из положительного (относительно аналоговой земли) источника напряжения в другой источникпроизвольного знака и произвольной величины. Как и для ПК на Рис. 1.10, замкнутые состояния ключей, управляемые тактами Ф₁ и Ф₂, не перекрываются.

Рис. 1.11. Инвертирующий переключаемый конденсатор без задержки, не чувствительный к паразитным емкостям.

(А) Подготовительный полупериод от до. Состояние тактовых сигналов: Ф₂ =1 и Ф₁ =0, т.е. ключи, Sw3 и Sw4 замкнуты, а ключи Sw1 и Sw2 – разомкнуты. При этом:

– конденсатор С₁ приведен в исходное состояние, т.е. обе обкладки принимают нулевой потенциал аналоговой земли и разряжаются. Любые заряды, бывшие на обеих обкладках конденсатора, уходят в источники напряжения аналоговой земли, и в результате приведен в исходное состояние. Паразитные конденсаторы итакже разряжены до нуля.

(В) Рабочий такт в момент времени . Состояние тактовых сигналов: Ф₁ =1 и Ф₂ =0, т.е. ключи, Sw1 и Sw2 замкнуты, а ключи Sw3 и Sw4 – разомкнуты. При этом левая обкладка конденсатора заряжается до зарядом. Поскольку конденсатор в любой момент времени должен в целом быть электронейтральным (в макроскопическом смысле), такой же заряд, идентичный и по величине и по знаку уходит («выталкивается») из правой обкладки (с другой стороны, это эквивалентно приходу на правую обкладку заряда той же величины, но противоположного по знаку). В результате в момент временичерез ключSw2 в источник V₂ из правой обкладки конденсатора «выталкивается» заряд, по величине и по знаку идентичный заряду, пришедшему из источника на зарядку левой обкладки. Очевидно, что настоящий ПК должен быть назван «неинвертирующим ПК без задержки», т.е.

. (1.39)

Что касается паразитных конденсаторов, то

(С) паразитный конденсатор перезаряжается только от входного источникаV₁ и, очевидно, не влияет на величину заряда, «вытолкнутого» в источник V₂ и

(D) паразитный конденсатор в обоих случаях, и приФ₁ =1, и при Ф₂ =1, разряжается только до нулевого потенциала, т.е не перезаряжается. Очевидно, что рассматриваемый переключаемый конденсатор на рис. 3.11 не зависит от паразитных емкостей.

1.5.3. Инвертирующий пк интегратор без задержки, не чувствительный

к паразитным емкостям

Рассмотрим работу интегратора, роль резистора в котором выполняет неинвертирующий ПК без задержки, не чувствительный к паразитным емкостям. Рассматриваемый интегратор является инвертирующим, поскольку состоит из неинвертирующего ПК, подключенному к инвертирующему входу операционного усилителя ОУ.

В целях упрощения анализа операционный усилитель является идеальным, т.е. в нем отсутствует смещение нуля, отсутствует чувствительность к синфазной помехе, и в бесконечной полосе частот ОУ имеет бесконечное усиление. Рассматриваемый интегратор изображен на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Инвертирующий интегратор без задержки:

(а) с подробным изображением ключей; (b) с условными перекидными

ключами

При анализе будем руководствоваться соображениями, приведшими к выражению (1.39).

Итак, в момент времени интегратор подключается к входному напряжению, и зарядчерез ключSw2 «выталкивается» из правой обкладки конденсатора в узел А, являющимся инвертирующим входом ОУ.

Пусть для определенности , т.е. входной потенциал более положителен, чем потенциал аналоговой земли, равный половине напряжения питания. В этом случае пришедший в узел А заряд также положителен, и потенциал этого узла становится более положительным относительно потенциала «аналоговой земли». Поскольку неинвертирующий вход ОУ подключен к аналоговой земле, а инвертирующий вход стал более положительным то потенциал выхода ОУ, являющийся также выходом интегратора, изменяется вотрицательном направлении. При этом в правую обкладку интегрирующего конденсатора входит отрицательный заряд, что приводит к «выталкиванию» из левой обкладкив узел А такого же по величине и знаку, т.е.отрицательного заряда, который компенсирует положительный заряд, пришедший в узел А из правой обкладки конденсатора . Процесс компенсации проходит все время, пока узел А еще положителен относительно неинвертирующего входа ОУ (при идеальных ОУ и ключах все происходит мгновенно). При изменении выходного потенциала на величинупотенциалы обоих входов ОУ сравниваются, т.е. отрицательный заряд величины

, (1.40)

«вытолкнутого» из левой обкладки конденсатора , сравнивается с величиной положительного заряда, «вытолкнутого» из правой обкладкии равного

(1.41)

Дополнительно напоминаем, что и ключи, и операционный усилитель предполагаются идеальными, поэтому цепочка процессов (1) «выталкивание» положительного заряда из правой обкладки конденсатора через ключSw2 в узел А; (2) увеличение потенциала узла А; (3) переходной процесс отрицательного изменения выходного потенциала на величину ; (4) компенсация зарядов в узле А – происходят мгновенно, в момент времениподачи логической «единицы» на управляющие входы ключейSw1 и Sw2 и подключения левой обкладки конденсатора к входному сигналу.

В реальности все перечисленные процессы происходят за промежуток времени от до, пока Ф₁=1 и замкнуты (проводят ток) ключи Sw1 и Sw2. В связи с этим напряжение на выходе интегратора устанавливается только к моменту , и реальное минимальное время «отработки» интегратором входного сигнала равно половине периода тактового сигнала.

В следующую половину периода, когда Ф₁=0, интегрирующий конденсатор становится плавающим, поскольку при идеальных ключах отсутствуют какие-либо токи, разряжающие его левую обкладку. В промежуток времени отдо, называемом временемхранения, заряд на неизменен и неизменно напряжение на выходе интегратора, т.е..

Поскольку до момента в конденсатореуже находился некоторый начальный заряд и, соответственно, на выходе интегратора уже было начальное напряжение , то можно записать:

(1.42)

Из (1.42) следует важный вывод: точность приращения выходного напряжения на выходе ПК интегратора за время, равное периоду частоты дискретизации, определяется точностью отношения номиналов конденсаторов, находящейся, как правило, в пределах от 0,05% до 0,2%. В ARC интеграторе непрерывного времени случайные разбросы номиналов резисторов достигают ±20%, а конденсаторов – около ±5%, поэтому разброс в постоянной времени, как правило, более ±20%.