新型可調電容器的設計

蘇子豪,黃 榛,趙石林,金榮政,蔡 赫,賀兵航

(哈爾濱遠東理工學院,哈爾濱 150000)

0 引言

集成化、微型化等標準成為當前電子技術的主要發展趨勢。傳統的電路設計中,電阻等元器件依托電位器等芯片實現了較高程度的集成化設計。但電容結構特殊,集成化及容值可調節等技術發展較為緩慢,多數可調電容根據機械結構進行電容值的變化,這種容值調節方式輸出的電容值往往不夠精準,而市面上依托有源元器件實現電容值變換的產品只是通過簡單的串并聯獲得,可變容值范圍小,且容值大小受電容體積制約,很難適應電子電路集成化的需求,不足以支撐多數電子電路的研發需求。本設計根據集成運放電路運算原理,設計的可調電容器可以較好地解決上述問題,確保電子電路中電容值增大時體積不變,電容值需要變換時可調范圍足夠寬,數值足夠準確。

1 電容器的等效電路

由電容、電阻及積分器可構建由電阻阻值調節的電容輸出電路。如圖1所示。

圖1 可調電容器原理圖及轉換電路

由電路特性可得各參量之間的運算關系式:

(1)

(2)

(3)

IL為可調電容器的漏電流,IL與Zin及可調電容器兩端的電壓無關,數值計算式為:

(4)

推導式(4)時,需令R1=R2,否則集成運放的偏置電流將會使漏電流得數值變大。若漏電流太大,電容器就會發熱損壞。若CE不是電解電容,那么C1也同樣不是電解電容。

R1的值會影響電路輸入端整體的阻抗,R2用于構筑同相比例放大電路,R3、R1影響可調電容CE的取值。

CE的輸入阻抗算式如式(5):

(5)

由品質因數計算公式可知,可調電容電路的品質因數如式(6):

(6)

由式(5)可以看出,這個等效電路等效為一個電阻與一個電容相串聯,并非一個純的可調電容器。

2 阻抗可調電路

由兩個運放實現的阻抗可調電路如圖2所示。

圖2 阻抗變換電路

設圖2中的運算放大器為理想的,節點電壓為e1、e2、e3、e4、e5。對于圖2,根據運放知識和基爾霍夫電流定律可得以下等式:

e1=e3=e5

(5)

(6)

(7)

(8)

根據式(5)～(8)得圖1的等效阻抗Zin的表達式為:

(9)

還可得:

(10)

從式(5)、(7)、(10)可得式(11):

(11)

根據式(9)～(11)可知,阻抗Zin與Z1、Z3、Z5成正比,與Z2、Z4成反比。e1的相位和幅值變化受e2、e4及Z2～Z5的限制。為了使運放工作在動態范圍內,e4與e2應分別工作在運放A1和A2的最大輸出電壓范圍內,因此,Z2～Z5決定了運放輸出電壓的動態范圍,Z1決定了輸入電流i1的動態范圍。

式(9)中,Z1～Z5的阻抗特性可以自由選擇,但實際上必須滿足一定的條件,運放必須形成直流回路,負反饋回路的相位變化不能引起振蕩。例如,當Z1～Z5都是電容時,電路不能工作,因為沒有形成負反饋回路。

3 新型可調電容電路

可調電容電路原理如圖3所示。

圖3 數字可調電容器電路

圖3中,A2、A4是緩沖器,當可調電容工作在高頻范圍時會增加運放的輸出電流。SGM3005是模擬開關,通過對模擬開關的控制可實現對可調電容值范圍的選擇。用數字電位器X9110代替阻抗R4,其電阻值的調節范圍為0～100 kΩ,通過X9110的SPI串口SI可實現電容值的調節。電阻R1取100 Ω,電阻R3取1 kΩ,通過控制S0、S1切換電阻R2和電容C5的值,實現可調電容單位的切換?？烧{電容檔位如表1所示。

表1 可調電容檔位

4 集成芯片

將可調電容器電路集成在一個芯片內,即可實現集成數字可調電容器芯片,如圖4所示。

圖4 數字可調電容器引腳圖

5 仿真結果

圖5 實際電容仿真電路

圖6 可調電容仿真電路

圖7 實際電容幅頻特性曲線

6 新型可調電容器的應用

圖9 用NE555定時器與新型可調電容器構成的多諧振蕩器

7 結束語

通過對阻抗變換電路的實驗發現,盡管在理論上推導出的可調電容表達式正確無誤,但由于實際運放的非理想性,導致理論值與實際值有偏差。如果在選擇元件與組成電路時考慮這些因素,則可減少偏差,變得更為理想?？梢允褂脝纹瑱C等控制調節電容值,為可調電容器的控制提供可能。如果將圖2的可調電容器等效電路集成在一個芯片上,將實現可調電容器芯片,為數字化電子電路應用提供參考。