新型可調(diào)電容器的設(shè)計(jì)

蘇子豪,黃 榛,趙石林,金榮政,蔡 赫,賀兵航

(哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院,哈爾濱 150000)

0 引言

集成化、微型化等標(biāo)準(zhǔn)成為當(dāng)前電子技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中,電阻等元器件依托電位器等芯片實(shí)現(xiàn)了較高程度的集成化設(shè)計(jì)。但電容結(jié)構(gòu)特殊,集成化及容值可調(diào)節(jié)等技術(shù)發(fā)展較為緩慢,多數(shù)可調(diào)電容根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行電容值的變化,這種容值調(diào)節(jié)方式輸出的電容值往往不夠精準(zhǔn),而市面上依托有源元器件實(shí)現(xiàn)電容值變換的產(chǎn)品只是通過(guò)簡(jiǎn)單的串并聯(lián)獲得,可變?nèi)葜捣秶?且容值大小受電容體積制約,很難適應(yīng)電子電路集成化的需求,不足以支撐多數(shù)電子電路的研發(fā)需求。本設(shè)計(jì)根據(jù)集成運(yùn)放電路運(yùn)算原理,設(shè)計(jì)的可調(diào)電容器可以較好地解決上述問(wèn)題,確保電子電路中電容值增大時(shí)體積不變,電容值需要變換時(shí)可調(diào)范圍足夠?qū)?數(shù)值足夠準(zhǔn)確。

1 電容器的等效電路

由電容、電阻及積分器可構(gòu)建由電阻阻值調(diào)節(jié)的電容輸出電路。如圖1所示。

圖1 可調(diào)電容器原理圖及轉(zhuǎn)換電路

由電路特性可得各參量之間的運(yùn)算關(guān)系式:

(1)

(2)

(3)

IL為可調(diào)電容器的漏電流,IL與Zin及可調(diào)電容器兩端的電壓無(wú)關(guān),數(shù)值計(jì)算式為:

(4)

推導(dǎo)式(4)時(shí),需令R1=R2,否則集成運(yùn)放的偏置電流將會(huì)使漏電流得數(shù)值變大。若漏電流太大,電容器就會(huì)發(fā)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(huì)影響電路輸入端整體的阻抗,R2用于構(gòu)筑同相比例放大電路,R3、R1影響可調(diào)電容CE的取值。

CE的輸入阻抗算式如式(5):

(5)

由品質(zhì)因數(shù)計(jì)算公式可知,可調(diào)電容電路的品質(zhì)因數(shù)如式(6):

(6)

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

2 阻抗可調(diào)電路

由兩個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的阻抗可調(diào)電路如圖2所示。

圖2 阻抗變換電路

設(shè)圖2中的運(yùn)算放大器為理想的,節(jié)點(diǎn)電壓為e1、e2、e3、e4、e5。對(duì)于圖2,根據(jù)運(yùn)放知識(shí)和基爾霍夫電流定律可得以下等式:

e1=e3=e5

(5)

(6)

(7)

(8)

根據(jù)式(5)～(8)得圖1的等效阻抗Zin的表達(dá)式為:

(9)

還可得:

(10)

從式(5)、(7)、(10)可得式(11):

(11)

根據(jù)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(yùn)放工作在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),e4與e2應(yīng)分別工作在運(yùn)放A1和A2的最大輸出電壓范圍內(nèi),因此,Z2～Z5決定了運(yùn)放輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍,Z1決定了輸入電流i1的動(dòng)態(tài)范圍。

式(9)中,Z1～Z5的阻抗特性可以自由選擇,但實(shí)際上必須滿(mǎn)足一定的條件,運(yùn)放必須形成直流回路,負(fù)反饋回路的相位變化不能引起振蕩。例如,當(dāng)Z1～Z5都是電容時(shí),電路不能工作,因?yàn)闆](méi)有形成負(fù)反饋回路。

3 新型可調(diào)電容電路

可調(diào)電容電路原理如圖3所示。

圖3 數(shù)字可調(diào)電容器電路

圖3中,A2、A4是緩沖器,當(dāng)可調(diào)電容工作在高頻范圍時(shí)會(huì)增加運(yùn)放的輸出電流。SGM3005是模擬開(kāi)關(guān),通過(guò)對(duì)模擬開(kāi)關(guān)的控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)可調(diào)電容值范圍的選擇。用數(shù)字電位器X9110代替阻抗R4,其電阻值的調(diào)節(jié)范圍為0～100 kΩ,通過(guò)X9110的SPI串口SI可實(shí)現(xiàn)電容值的調(diào)節(jié)。電阻R1取100 Ω,電阻R3取1 kΩ,通過(guò)控制S0、S1切換電阻R2和電容C5的值,實(shí)現(xiàn)可調(diào)電容單位的切換。可調(diào)電容檔位如表1所示。

表1 可調(diào)電容檔位

4 集成芯片

將可調(diào)電容器電路集成在一個(gè)芯片內(nèi),即可實(shí)現(xiàn)集成數(shù)字可調(diào)電容器芯片,如圖4所示。

圖4 數(shù)字可調(diào)電容器引腳圖

5 仿真結(jié)果

圖5 實(shí)際電容仿真電路

圖6 可調(diào)電容仿真電路

圖7 實(shí)際電容幅頻特性曲線(xiàn)

6 新型可調(diào)電容器的應(yīng)用

圖9 用NE555定時(shí)器與新型可調(diào)電容器構(gòu)成的多諧振蕩器

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)阻抗變換電路的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),盡管在理論上推導(dǎo)出的可調(diào)電容表達(dá)式正確無(wú)誤,但由于實(shí)際運(yùn)放的非理想性,導(dǎo)致理論值與實(shí)際值有偏差。如果在選擇元件與組成電路時(shí)考慮這些因素,則可減少偏差,變得更為理想。可以使用單片機(jī)等控制調(diào)節(jié)電容值,為可調(diào)電容器的控制提供可能。如果將圖2的可調(diào)電容器等效電路集成在一個(gè)芯片上,將實(shí)現(xiàn)可調(diào)電容器芯片,為數(shù)字化電子電路應(yīng)用提供參考。