高等電路分析5 switching circuit

2開關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析劉明亮：《開關(guān)電容電路

從入門到精通》，人民郵電出版社，2008李蘭友：《開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)》，電子工業(yè)出版社，1985陸明達(dá)：《開關(guān)電容濾波器的原理與設(shè)計》，科學(xué)出版社王水平：《開關(guān)穩(wěn)壓電源》，西安電子科技大學(xué)，1997通信和信號處理方面：開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)：SC放大器、SC濾波器、SC振蕩器、SC模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器開關(guān)電流電路：SI積分器、SI濾波器。高頻性能好，電流求和簡單電力電子工程方面開關(guān)電源各種控制電路開關(guān)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用contents開關(guān)電容開關(guān)電容子電路開關(guān)電容電路應(yīng)用開關(guān)電流電路開關(guān)電源2.1開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)利用電荷的存儲和轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)對信號的各種處理功能。TheoriginoftheSCprinciplewasfirstreportedbyMaxwellaround1973.由MOS開關(guān)、MOS電容和MOS運(yùn)放三種元件構(gòu)成。采用MOS工藝制作，尺寸小、功耗低、工藝過程比較簡單，易于大規(guī)模集成適用于對模擬信號施行精確的線性化處理，在高品質(zhì)MOS單片集成filter的設(shè)計與應(yīng)用已經(jīng)獨占鰲頭SC電路應(yīng)用多元化，逐漸成為儀器設(shè)備、數(shù)字音頻、無線通信、電源管理、傳感器等諸多應(yīng)用領(lǐng)域中設(shè)計首選信號處理電路和電力電子電路中應(yīng)用大量的開關(guān)。開關(guān)電路是指具有“接通”和“斷開”兩種狀態(tài)的電路。一般為二極管、晶體管、晶閘管等半導(dǎo)體開關(guān)；邏輯門電路、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器也都是開關(guān)電路。MOSFET開關(guān)可采用CMOS、NMOS、PMOS傳輸門三種方法之一來實現(xiàn)MOS開關(guān)是壓控電阻，希望導(dǎo)通電阻小、斷開電阻大2.1.1MOS開關(guān)NMOS開關(guān)管、CMOS開關(guān)采用MOS技術(shù)制作電容，稱為MOS電容；電容值隨著MOS柵源電壓的變化而顯著變化；實際工程中，MOS集成電容幾乎全是采用幾何精度高的多晶硅來實現(xiàn)；2.1.2MOS電容許多應(yīng)用中傳遞特性取決于電容量的比值，因此花氣力在減小電容失配誤差。是模擬電路中最重要、最為工程師重視的元件。EarlyOpAmpsinthe1940swereimplementedwithvacuumtubes.ThefirstmonolithicsiliconOpAmpwasdevelopedintheearly1960’sbyRobertJ.WidlaratFairchild.In1968thepopularuA741OpAmpbecometheindustrialstandard.Today,thecostofageneralpurposeOpAmpislessthanthepriceofacheapcupofcoffee.2.1.3MOS運(yùn)算放大器構(gòu)成：輸入級(差動放大)中間驅(qū)動級(含頻率補(bǔ)償和

電平移位)輸出級(射隨級)2.2開關(guān)電容子電路是模擬開關(guān)和電容的組合，是電子電路的一類新元件。LargeresistorsinactiveRCfiltersareNOTpracticalinICLargeareaAccuratecontrolofRverydifficultCircuittechniquetosolvetheproblem

Replaceresistorswithcapacitors:Switchedcapacitor開關(guān)電容技術(shù)首先的設(shè)想是用開關(guān)電容取代電阻。2.2.1用開關(guān)電容電路模擬的電阻對寄生電容不敏感的模擬電阻11122并聯(lián)型模擬電阻Iffclock>>frequencyofinterests,SCisactingasaresistor.工作原理是：電容器在開關(guān)控制下被充電、放電。計算其平均電流，當(dāng)開關(guān)頻率足夠快時，該電流等效于流過電阻的電流。模擬電阻值取決于電容大小和開關(guān)頻率。模擬電阻越大，所需C值越小，占用芯片的面積越小。C=0.5pF，fclock=200kHz，則Req=10M。標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝：2開關(guān)1電容占硅片面積<0.01mm2；10M的硅成型電阻占1.0mm2開關(guān)電容的電阻作用與常規(guī)電阻中的兩點重要區(qū)別：1)開關(guān)電容二端口之間流通的是電荷，而常規(guī)電阻兩端之間流通的是電流。2)開關(guān)電容轉(zhuǎn)移的電荷量與二端口不同時刻的電壓值有關(guān)，而常規(guī)電阻中流通的電流與其兩端的同一時刻的電壓值有關(guān)。2.2.2開關(guān)電容積分器、放大器During1Q=C1V1+C2VoDuring2Q=0所以，C1V1+C2Vo＝0電荷守恒，所以對于同一個開關(guān)電容電路的結(jié)構(gòu)，當(dāng)改變控制各開關(guān)的時鐘的相位時，可以得到不同的電路功能。2.2.3CMOS采樣保持電路帶有輸入、輸出電壓緩沖的開環(huán)S&H由MOS開關(guān)、MOS電容和MOS運(yùn)算放大器組成。SCF雖然在離散域工作，但仍屬模擬濾波器之列。SCF可直接處理模擬信號，而不必像數(shù)字filter那樣需要A/D、D/A變換，簡化了電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性。有源RC濾波技術(shù)已有效地取代了電感器，開關(guān)電容技術(shù)的設(shè)想當(dāng)然是試圖用開關(guān)電容(SC)來取代電阻器。MOS器件在速度、集成度、相對精度控制和微功耗等方面都有獨特的優(yōu)勢，為SCF的迅猛發(fā)展提供了很好的條件。1977年發(fā)表了采用NMOS工藝和開關(guān)電容技術(shù)構(gòu)成的話路濾波器，1978年Intel公司首先制成器件，從而進(jìn)入實用。2.3開關(guān)電容電路應(yīng)用2.3.1開關(guān)電容濾波器影響濾波器頻率響應(yīng)的時間常數(shù)取決于時鐘頻率和電容比值C2/C1，而與電容的絕對值無關(guān)。MOS工藝電容比值精度可達(dá)0.01％，溫度穩(wěn)定性好，溫漂系數(shù)可達(dá)10ppm℃。（|C|精度只0.1%）按標(biāo)準(zhǔn)工藝制造，通常能夠滿足音頻范圍應(yīng)用要求。下圖所示開關(guān)電容組成的低通濾波電路，時鐘的頻率為f，求網(wǎng)絡(luò)函數(shù)及截止頻率。

通用SCF芯片：如MAX291、MAX260、TLC14C、LMF402.3.2開關(guān)電容振蕩器由MOS開關(guān)、MOS電容和MOS運(yùn)算放大器構(gòu)成。比一般RC振蕩電路有較高的頻率準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度。振蕩器振蕩頻率僅與電路中電容比值C2/C1有關(guān)，而與電容的絕對值無關(guān)。當(dāng)需要改變振蕩頻率時，只要改變時鐘頻率即可，振蕩頻率與時鐘頻率成正比。補(bǔ)充：RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)（文氏電橋振蕩器）①橋路平衡時：

②只有Rt>2R1

時才能保證起振

③Rt是具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。①開關(guān)電容文氏電橋振蕩器②移項式開關(guān)電容振蕩器開關(guān)電容代替2個電阻R三種基本的SCDC-DC變換器：降壓型（buck）升壓型（boost）升降壓型（buck-boost）常稱為電荷泵（chargepump）2.3.3開關(guān)電容DC-DC變換器其他應(yīng)用：開關(guān)電容數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

SC調(diào)制器三種基本的非隔離DC-DC開關(guān)電源：VinVoLIoSDVinVoDLIoSVo=Vin*DVo=Vin/(1-D)Vo<Vin,降壓型電路Vo>Vin,升壓型電路開關(guān)閉合時，電感被充電，IL線性增加，V0上整下負(fù)；開關(guān)斷開時，IL方向不變，略有降低。一周期內(nèi)V0、I0幾乎不變。開關(guān)斷開時對電感的充電電路與buck型相同。Vo=－Vin*D/(1-D)VinVoDLIoS1DS2Vo=Vin*D/(1-D)Vo<Vin,當(dāng)D<0.5Vo>Vin當(dāng)D>0.5

buck-boost電路狀態(tài)平均法分析boost電路VinVoLIoSD開關(guān)閉合時開關(guān)斷開時RR0+u－i狀態(tài)平均后：直流穩(wěn)態(tài)時可得輸出電壓Buck-Boost電路工作原理：S1S2ULILVin-VoIoD1-DT根據(jù)L的伏秒平衡原則：Vin*DT=(Vo+2Vd)*(1-D)TVo=Vin*D/(1-D)-2VdL*ΔIo=(Vo-2Vd)(1-D)TVds1根據(jù)L在(1-D)T時間的基本方程：ΔIo=(Vo-2Vd)(1-D)T/LVds2VinVoVinVoDLIoS1DS2三種基本的隔離開關(guān)電源：VinVoSLmDVinVoLSD1D2VinVoLS1D1D2S2正激型變換器反激型變換器橋式變換器VinVoLS1D1D2S2半橋變換器橋式變換器（BridgeTypeConverter)：VinVoLS1D1D2S2全橋變換器VinVoLS1D1D2S2推挽變換器VinVoS1D2S2半橋變換器（倍流整流）三種調(diào)制方式PWM:PulseWidthModulationPFM:PulseFrequencyModulation混合調(diào)制計算方法：狀態(tài)平均法2.4開關(guān)電流電路開關(guān)電流電路是1989由J.B.Hughes等人提出的。SI電路的信號用電流表示，所需電壓擺幅不大，電路可以在低壓低功耗下工作。電流轉(zhuǎn)移函數(shù)取決于MOS管的尺寸和開關(guān)頻率，與電容值無關(guān)。不需要線性浮置電容，更適合于CMOSVLSI工藝。用于濾波器時不需要運(yùn)算放大器，因而比SCFilter電路更簡單。應(yīng)用：集成濾波器、A／D和D／A轉(zhuǎn)換器、模擬信號處理。

SI電路是當(dāng)前低壓低耗大規(guī)模集成電路重要實現(xiàn)技術(shù)之一。2.4.1基本原理MOS集成電路有一個獨特的性質(zhì)，即利用柵極和源極之間的電容，能在一定的時間內(nèi)在柵極節(jié)點上存儲信息，而且可以不斷地、無損的讀出。由此特性引出的電流存儲單元是各種電流電路的基礎(chǔ)。電容C可以由MOS管的柵—源寄生電容充當(dāng)當(dāng)開關(guān)閉合時，恒流源給電容C充電，MOS管導(dǎo)通后恒流電流全部流過MOS管。此時，若開關(guān)斷開，由于電容電壓不變，MOS管將繼續(xù)導(dǎo)通。電流存儲與延遲單元

2個單元級聯(lián)，延遲1個周期，也可說是取樣和保持電路延遲0.5個周期同相無耗積分器反相阻尼放大器反相微分器2.5開關(guān)電源把直流電源或交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€穩(wěn)定的直流電壓源。

開關(guān)電源中的調(diào)整管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。開關(guān)電源變壓器和普通電源變壓器有很大的差異!鐵芯因工作頻率高，大都采用鐵氧體磁芯；磁芯大小與工作頻率的平方成反比，頻率越高鐵心體積越小;效率高，繞組都采用高強(qiáng)度漆包或紗包銅線.由于它直接控制直流，效率比線性電源高。典型PC電源＝70%-75%，而線性穩(wěn)壓電源僅50%左右。缺點：電路復(fù)雜，維修困難；電源噪聲大，不適合用于某些低噪聲電路。AC-DC型：輸入端將交流電整流變成直流電，再在高頻振蕩電路的作用下用開關(guān)管控制電流的通斷，形成高頻脈沖電流。依靠高頻變壓器電壓變換，輸出穩(wěn)定的低壓直流電。DC-DCDC-AC逆變電源AC-DC開關(guān)電源原理示意圖從高壓濾波電容出來的電壓波形經(jīng)過開關(guān)管后的波形經(jīng)過變壓后的波形低壓整流后的波形最終需要的電壓DC-AC逆變器隨著石油、煤和天然氣等主要能源的大量使用,新能源的開發(fā)和利用越來越得到人們的重視。利用新能源的關(guān)鍵技術(shù)-