电容电路（共9篇）
电容电路 篇1
1概述
电容传感器在检测系统中应用比较多, 其可以保证对液位、位移以及加速度进行测量, 电容传感器在检测的过程中, 对精确性要求比较高, 所以, 相关设计人员一定要对其电路进行优化, 新型微弱电容测量电路是一种新型的电路, 其在电容传感器的应用中, 有效提高了电容传感器的性能, 这种电路的抗干扰能力比较强, 可以适用复杂的环境, 而且可以解决传统电力产生的电子开关电荷问题, 而且应用这种电路, 可以快速及时的收集数据、信号, 其产生的噪音比较小, 可以突破电容传感器发展的瓶颈。
2新型微弱电容测量电路在电容传感器中的应用
新型微弱电容测量电路是在电荷放大的基础上提出的, 其工作的原理如图1所示。
从图1可以了解到新型电路的工作原理, Cx表示被测电容, 其左边接入的是激励电极, 右边接入的是检测电极。被测电容下的两个电容属于杂散电容, 分别用Cas与Cbs表示, 二者都是等效电容, 左侧电容Cas是由激励源实现驱动的, 其不会影响被测电容的电流大小;右侧电容Cbs也不会对被测电容产生影响, 其多处于虚地的状态, 而且左右两端不会产生电压差, 在对被测电容进行测量时, 这两种等效电容不会对测量产生任何影响。通过分析可以看出, 该电路对杂散电容不够敏感, 而且对杂散电容有着较强的抗干扰能力。
新型电容测量电路有着较高的分辨率, 传统电容传感器会受到电子开关产生的电荷的影响, 所以, 信号会受到干扰, 分辨率会大大降低。采用微弱电容测量电路, 可以消除电子开关电荷的影响, 电容传感器在测量时, 产生的误差也会减小。电子开关关闭后, 电容的大小会受到影响, 这可能是由沟道电荷引起的, 也可能是电荷释放引起的。新型微弱电容测量电路对开关控制时序进行调整, 这有效的解决了电子开关电荷问题, 开关控制信号时序图见图2。
在对开关控制时序进行调整后, 有效解决了电子开关电荷注入的效应, 通过改变开关的顺序, 电荷流向被改变了, 电荷从不同节点流出后, 对电路的影响比较小, 不会导致电荷超标问题, 而且对电容传感器的测量结果影响也比较小。采用电路开关时序调整的方式, 可以有效优化电路的性能, 可以降低电荷对测量结果的影响, 有利于提高电容传感器测量的准确性。
电容传感器是一种先进的测量设备, 为了减少电子开关电荷注入效应, 需要合理控制开关的设计, 要保证开关对电路输出不会产生影响, 还要避免电荷过大造成的波形异常现象。开关开启的顺序不同, 对电路产生的影响也不同, 为了保证电子开关产生的电荷对电路不产生影响, 必须在开关断开前完成数据采集工作, 一定要做好电路的优化工作, 对开关时序进行合理的调整, 还要消除电荷注入效应。不同时刻的波形图如图3所示。
由此得到电路的工作原理如下:Vin为充放电的激励电压源, 开关S4和S5及运放U2和U3构成两个采样保持器 (S/H) , U4为仪表放大器, 电容Cf和开关S3构成电荷放大器。测量开关S3的电荷注入效应。在电路开始工作之前, 开关S3处于闭合状态, Vin电压为高, 两个采样保持器都处于采样模式。但由于S3的电荷注入效应, 有电荷被注入电路, 这将导致V3被拉低至VL。在t2时刻, U1的输出稳定并且U3的输出Vout1等于VL, S5断开使采样保持器进入保持模式。假设S3的电荷注入效应相当于输入电压引起, 同时假设S3的输出电容对电路的影响为C0, 则Vout1可表示如下:
测量由激励引起的输出的变化。开关S2断开, 开关S1关闭施加直流电压激励Vin, 右侧极板感应出电荷与S3的电荷注入效应引入的电荷叠加, 导致U1的输出上升, 在t4时刻输出稳定Vout2等于V3, S4断开使采样保持器进入保持模式, 则Vout2可表示为:
得到仪表放大器的输出为:
由已知得可见输出电压与未知电容成线性关系。根据第一步和第二步情况计算得出, 电荷注入效应不会对输出产生影响。该式没有考虑运放U1的输出失调电压和输入失调电流的影响, 是由于同一运放的参数基本稳定, 其对Vout1、Vout2的影响大体相同, 差动式结构可以基本消除这部分影响。采保中的开关S4与S5在断开时, 它们的电荷注入效应会使Vout1、Vout2的波形产生瞬时微小失真, 相对Vout1、Vout2它们的值较小可以忽略。
结束语
本文对电容传感器新型微弱电容测量电路的特性进行了分析, 这种新型的电路是在电荷放大的原理上提出的, 具有良好的抗干扰能力, 其对杂散电容有着较强的抵抗性, 对电子开关产生的电荷有着消除的效果, 可以保证电容传感器的敏感性, 还可以提高电容传感器检测的准确性, 通过实践发现, 应用新型微弱电容检测电路, 电路的检测能力会大大增强, 电路的敏感性也会提高, 分辨率会大大增强, 这提高了电容传感器的应用范围, 而且对电容传感器的优化指引了方向, 采用新型电容传感器, 可以及时的采集到信息数据, 有着良好的应用效果。
参考文献
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[3]贺庆之, 贺静.单一平面电容传感器原理与应用[J].工业仪表与自动化装置, 2001 (5) .
电容电路 篇2
电容器在电子电路中几乎是不可缺少的储能元件，它具有隔断直流、连通交流、阻止低频的特性。广泛应用在耦合、隔直、旁路、滤波、调谐、能量转换和自动控制等电路中。熟悉电容器在不同电路中的名称意义，有助于我们读懂电子电路图。
1.滤波电容：它接在直流电源的正、负极之间，以滤除直流电源中不需要的交流成分，使直流电平滑。一 般常采用大容量的电解电容器，也可以在电路中同时并接其他小容量电容以滤除高频交流电。
2.退耦电容：并接于放大电路的电源正、负极间，防止由电源内阻形成的正反馈而引起的寄生振荡。
3.旁路电容：在交、直流信号电路中，将电容并接在电阻两端或由电路的某点跨接到公共电位上，为交流 信号或脉冲信号设置一条通路，避免交流信号成分因通过电阻产生压降衰减。
4.耦合电容：在交流信号处理电路中，用于信号源和信号处理电路或者作两放大器的级间连接，用以隔断 直流，让交流信号或脉冲信号通过，使前后级放大电路的直流工作点互不影响。
5.调谐电容：连接在谐振电路的振荡线圈两端，起到选择振荡频率的作用。
6.衬垫电容：与谐振电路主电容串联的辅助性电容，调整它可使振荡信号频率变小，并能显著地提高低频 端的振荡频率。适当地选定衬垫电容的容量，可以将低端频率曲线向上提升，接近于理想频率跟踪曲线。
7.补偿电容：它是与谐振电路主电容并联的辅助性电容，调整该电容能使振荡信号频率范围扩大。
8.中和电容：并接在三极管放大器的基极和发射极之间，构成负反馈网络，以抑制三极管极间电容造成的 自激振荡。
9.稳频电容：在振荡电路中，起稳定振荡频率的作用。
10.定时电容：在RC时间常数电路中与电阻R串联，共同决定充放电时间长短的电容。
11.加速电容：接在振荡器反馈电路中，使正反馈过程加速，提高振荡信号的幅度。
12.缩短电容：在UHF高频头电路中，为了缩短振荡电感器长度而串接的电容。
13.克拉泼电容：在电容三点式振荡电路中，与电感振荡线圈串联的电容，起到消除晶体管结电容对频率稳 定性影响的作用。
14.锅拉电容：在电容三点式振荡电路中，与电感振荡线圈两端并联的电容，起到消除晶体管结电容的影响，使振荡器在高频端容易起振。
15.稳幅电容：在鉴频器中，用于稳定输出信号的幅度。
16.预加重电容：为了避免音频调制信号在处理过程中造成对分频量衰减和丢失，而设置的RC高频分量提 升网络电容。
17.去加重电容：为恢复原伴音信号，要求对音频信号中经预加重所提升的调频分量和噪声一起衰减，设置 在RC网络中的电容。
18.移相电容：用于改变交流信号相位的电容。
19.反馈电容：跨接于放大器的输入和输出端之间，使输出信号回输到输入端的电容。
20.降压限流电容：串联在交流电回路中，利用电容对交流电的容抗特性，对交流电进行限流，从而构成分 压电路。
21.逆程电容：用于行扫描输出电路，并接在行输出管的集电极与发射极之间，以产生高压行扫描锯齿波逆 程脉冲，其耐压一般在1500V以上。
22.S校正电容：串接在偏转线圈回路中，用于校正显像管边缘的延伸线线性失真。
23.自举升压电容：利用电容器的充放电储能特性提升电路其点的电位，使该点电位达到供电端电压值的2 倍。
24.消亮点电容：设置在视放电路中，用于关机时消除显像管上残余亮点的电容。
25.软启动电容：一般接在开关电源的开关管基极上，防止在开启电源时，过大的浪涌电流或过高的峰值电 压加到开关管基极上，导致开关管损坏。
26.启动电容：串接在单相电动机的副绕组上，为电动机提供启动移相交流电压。在电动机正常运转后与副 绕组断开。
电容电路 篇3
高中物理中用到的“微元法”是从数学微积分中移植过来的方法，它是把研究对象分割成无限多个无限小的部分，或把物理过程分解成无限多个无限短的过程，抽取其中一个微小部分或极短过程加以研究的方法。运用“微元法”求解电磁感应与含电容器电路的综合问题时，往往可以将变量转化为常量，将非理想模型转化为理想模型，使复杂问题变得简单易解。
例1如图1所示，水平放置的光滑平行导轨处于垂直于水平面向下（垂直于纸面向里）的匀强磁场中，磁感应强度为B，导轨间距为L，导轨左端接有电容为c的电容器，金属棒ab垂直于导轨放置，其质量为m，电阻为R（导轨电阻不计，且足够长）。现有恒力F作用在金属棒上，若电容器的耐压值为U，则：
（1）当金属棒的速度为v时，求电容器所带的电荷量。
（2）若要求电容器不被烧坏，则金属棒运动的最长时间为多少？
解析：（1）当金属棒的速度为v时，金属棒切割磁感线产生的感应电动势E=BLv，电容器两端的电压U1=E，根据Q=CUl可得，电容器所带的电荷量Q—CBLv。
（2）取极短时间△t，则金属棒的速度变化量为Av，因此电容器所带电荷量的变化量
点评：本题中金属棒做单向的匀加速直线运动，利用微元法求得金属棒的加速度是解决问题的关键。
侧2如图2所示，水平面内有两根足够长的平行导轨L1、L2，其间距d=O.5m，导轨左端接有电容c=2 000 uF的电容器。质量m=20g的导体棒可在导轨上无摩擦地滑动，导体棒和导轨的电阻不计。整个空间存在垂直于导轨所在平面向下（垂直于纸面向里）的匀强磁场，磁感应强度B=2T。现用一沿导轨方向向右的恒力F1=O.44 N作用在导体棒上，使导体棒从静止开始运动，经时间t后到达B处，速度变为v=5m/s。此时，突然将拉力方向变为沿导轨方向向左，大小变为F2，又经时间2￡后导体棒返回到初始位置A处。在整个过程中电容器未被击穿。求：
点评：外力反向时，导体棒的运动状态要发生变化，当导体棒沿原方向做减速运动时，电容器放电，当导体棒沿反方向做加速运动时，电容器充电，但电流方向不变，导体棒所受安培力方向不变，因此在外力反向的全过程中导体棒均做匀变速运动。
直流电路中含电容电路的求法 篇4
关键词：直流电路,电容电路,电阻,电压
在直流电路中，充电完毕后的电容器处于断路状态，这是我们解决含电容电路的前提。由于电容器充电完毕后处于断路状态，因此和电容器串联的电阻上由于电流为零而两端的电势相等，这样我们就可以用一无阻导线将该电阻替换掉，替换后会出现两种情况：
1. 如果能够很清楚地看出电容器是并联在哪个电阻两端或哪个电路两端，则电容器两端的电压就是这个电阻或者是这个电路两端的电压。
2.如果不能看出电容器是并联在哪个电阻或哪个电路两端，则用直流电路中各点电势的求法来确定电容器两端的电压。
3.利用Q=CU计算电容器所带的电量。
4.在求通过和电容器串联的电阻上的电量时，我们还需注意电容器极板上的带电性质有没有发生变化，如果没有发生变化，那么通过的电量是电容器始末带电量的差，如果发生了变化，则是电容器始末带电量的绝对值的和。
如何确定直流电路中各点电势关系呢？一般我们采取的办法是：
1.沿着电流的流向，电流每通过一个电阻R，电势降低i R。
2. 电流从电源负极流入而从正极流出时，电势升高E，降低ir。而从电源正极流入而从负极流出时，电势降低（E+ir)
3. 沿着电流的方向，前面一点的电势等于后面一点的电势加上升高的减去降低的。
例如：一电源的电动势为3伏，内阻为0.2欧，和一阻值为5欧的定值电阻串联构成的电路如图1所示，如规定B点的电势为零，电路中的电流强度为0.50安，则A、C两点的电势分别为多少伏？
分析：沿着电流的流向，相对来讲，B点是C前面的点，A点是B前面的点，由于B点接地，该点的电势为零。因此：
所以：ΦA=E-ir=3-0.5×0.2=2（伏）
例：在如图2所示的直流电路中，电源电动势为5V，内阻为0.5Ω，外电路的电阻为R1=R4=2Ω，R3=R2=6Ω，求电路中a、b两点的电势差Uab等于多少？
分析：根据串、并联电路的特点，外电路的总电阻为：
由全电路欧姆定律知，电路中的总电流为：
根据并联电路分流原理可知，通过a点和b点的电流均为1A。
当我们选择c点为电势参考点时，沿着电流的流向，a、b均为c点前面的点，所以ΦC=Φa-i R2=（Φa-6)
上述两式相减可得：Φa-Φb=4V且a点电势比b点电势高。
巩固与练习
1.如图3所示，U恒定，此时带电粒子P静止在平行板电容器之间，当K闭合时，带电粒子P:
A.向下加速运动
B.向上加速运动
C.保持静止
D.关于P的运动状态，以上说法都不正确
分析：R5是和电容器串联的定值电阻，在电容器充电完毕后，通过R5的电流为0，而两端电势相等，可用一根无阻导线替换，R2.R3.R4是并联关系，可以等效成一个电阻R，等效电路如图，从图上可以清楚地看出，电容器是并联在电阻R两端，因此：
当开关K闭合时，R变小，Uc变小，电容器内部的电场强度变小，带电粒子受到的电场力变小，带电将向下做匀加速运动。故选A
2.如图4所示的电路中，C1=3C2, R1=R2/3，当电路中的电流达到稳定状态后，下列判断哪些是正确的：
A.C1所带的电量是C2所带电量的3倍
B.C1和C2所带的电量相等
C.C1两端的电压是C2两端电压1/3倍
D.C1和C2两端的电压相等
分析：从图4上可以清楚地看出，电容器C1、C2分别并联在电阻R1.R2两端，它们两端的电压分别等于R1、R2两端的电压。U1=i R1U2=i R2=3IR1=3U1
故选BC
3. 在如图5所示的电路中，电源电动势为E，内阻为r，外电路电阻R1、R2、R3，电容器的电容为C，当开关K断开时，通过电阻R2的电量是多少？
分析：当开关闭合时，电容器C并联在电阻R2两端，上极板带正电，根据全电路欧姆定律知R2两端的电压为
当开关断开时，R3是和电容C串联的电阻，因为无电流通过而两端电势相等，可以用一根无阻导线替换掉，这样可以清楚的看到电容器C是并联在电阻R1两端，且下极板带正电，根据全电路欧姆定律知R1两端的电压为
电容电路 篇5
电容式传感器的电容变化量往往很小, 许多情况下, 输出电容仅有几十个或几百个飞法 ( 1 f F =10－ 15F) 大小［3］, 因而对电容式传感器输出电容特别是输出微小电容的测量始终是一个重要的研究课题。
传统上采用的充/放电电容测量电路、AC电桥电容测量电路、交流锁相放大电容测量电路、基于V / T变换的电容测量电路、基于混沌理论的恒流式混沌测量电路、基于电荷放大原理的电容测量电路等分立式解决方案共同缺点是脉动噪声大, 需使用滤波器及考虑相位补偿, 难以达到高的精度要求, 电路结构相对复杂, 不易集成, 成本也较高［3，4］。
本文提出的基于电容数字转换技术的微小电容测量电路解决了从电容信号到数字信号直接转换的信号处理难题, 具有分辨率高、精度高、响应快速、外部电路结构简单、易于集成、稳定性好、成本低等特点, 彻底弥补了分立式解决方案的不足, 不但缩短了产品开发周期, 更进一步为电容式传感器赢得了优势。
1 硬件设计
硬件总体框架如图l所示, 主要有电容式传感器 ( 被测电容) 、电容数字转换器、微处理器、电源管理电路、接口电路5 个主要组成部分。
1. 1 电容数字转换器AD7746
AD7746［5］是ADI公司推出的24 位、低功耗、双通道电容数字转换器 ( CDC) , 是业界最高精度解决方案［6］。主要特性有:
( 1) 精度。4 f F ( 芯片测量结果与真实值有一个固定的偏差, 这个偏差在 ± 4 f F内) 。
( 2) 分辨率。4 a F ( 芯片可以将两个相差4 a F的电容分辨出来) 。
( 3) 线性度。0. 01% 。
(4) 电容输入范围。-4.096~+4.096 p F。
(5) 可接受共模电容。最大17 p F。
( 6) 更新速率。10 ~ 90 Hz。
( 7) 供电电压范围。2. 7 ~ 5. 25 V。
( 8) 额定温度范围。 - 40 ~ + 125℃。
(9) 接口。双线式串行接口 (兼容I2C) 。
(10) 封装。16引脚TSSOP。
被测电容可以直接连接到AD7746的电容输入通道, 芯片通过内部的激励源持续对被测电容提供高频激励, 二阶∑~△调制器不断对被测电容进行电荷采样, 经过三阶数字滤波器直接输出24位测量结果 (Data) [7]。单端输入方式下, 被测电容, 其中十六进制应转化为十进制计算。
1. 2 微处理器MSP430F149
MSP430F149［8，9］是TI公司生产的16 位、低功耗微处理器, 具有丰富的片内资源和方便高效的开发环境, 已广泛应用于便携式仪器仪表中［10—12］。它从中断请求到CPU唤醒仅仅需要6 μs。在开发时, 不需要仿真器和编程器, 利用片内的JTAG接口与PC机和JTAG调试器连接即可。供电电压范围为1. 8 ~ 3. 3 V。
1. 3 电源管理电路和接口电路
电源采用3 V的纽扣锂电池对测量电路进行供电, 微处理器MSP430F149 的串口通过FT232［13］与计算机的USB接口相连。
2 软件设计
软件流程图如图3 所示。
电路上电后, MSP430F149 进行初始化并启动I2C总线, I2C总线应答 ( Ack) 后初始化AD7746 并进行参数设置和寄存器地址配置, 然后AD7746 开始数据采集。在电容数字转换完成后, 输出的24 位测量结果存储在CAP_DATA_H、CAP_DATA_M、CAP_DATA_L三个寄存器中 ( 分别存储测量结果的高、中、低字节) 并在其RDY引脚 ( 2 引脚) 上产生一个下降沿信号, 用于触发MSP430F149 的外部中断, MSP430F149 在中断允许的情况下, CPU响应中断, 并在中断服务子程序中通过I2C总线读取相应的结果并清零寄存器和转换测量通道, 最后通过串口 ( UART) 上传数据至PC。
3 测试结果
为验证电路性能, 使用2 块铜箔制作平行板电容器, 分别改变平行板电容器极板间距和极板正对面积, 与理论值进行比较。
在噪声随机且满足正态分布的条件下, AD7746有效分辨率最高21 位 ( 电容数字转换完成后输出的24 位测量结果中至少有3 位是随机的) , 峰峰 ( P-P) 分辨率 ( 输出的24 位测量结果中的稳定位数) 与有效分辨率满足如下关系:
有效分辨率- 2. 7 = 峰峰分辨率。
随着电容数字转换时间的不同, 有效分辨率和峰峰分辨率的理论值也不同。在电容数字转换时间为109. 6 ms时, 峰峰分辨率的理论值为18. 2 位, 实际测试中得到的峰峰分辨率为16 位, 0. 1 f F 。
由于18. 2 位为理想条件 ( 噪声随机且满足正态分布) 下的计算结果, 可以认为2 位的损失在正常范围内。
平行板电容器计算公式:, 式中, ε 为介电常数, ε = ε0εr, 其中 ε0为真空介电常数 ( ε0=8. 854 2 × 10－12F·m－1) , εr为相对介电常数 ( 空气中 εr= 1. 000 5 ) ; S为极板正对面积; d为极板间距。
当S = 0. 004 225 m2时, 改变d的大小。由于当S一定时, d与C为反比例函数关系, 函数值在自变量的初期有较大的变化, 当d [1, 2]时, 以1 mm为步进; 当d ( 2, 50]时, 以1 cm为步进。测量结果如图4 所示 ( d的每个取值点测量十次, 求平均值) 。
当d = 0. 05 m时, 改变S的大小。S分别选取0. 01 m2、0. 012 1 m2、0. 014 4 m2、0. 016 9 m2、0. 019 6 m2、0. 022 5 m2。测量结果如图5 所示 ( S的每个取值点测量十次, 求平均值) 。
测试结果说明: 当S一定d改变和d一定S改变时, 测量值与理论值有一定的偏差, 由于平行板电容器作为输入时本身并不稳定, AD7746 也存在4 f F的测量误差, 且测量值利用最小二乘支持向量机 ( LS-SVM) ［14，15］进行非线性回归后, 与理论值曲线趋势基本保持一致, 可以认为误差并不取决于测量电路本身。实际应用中, 电容式传感器输出的电容是被测量的反映, 因此分辨率的大小得到更多的关注, 测量电路0. 1 f F的分辨率可以满足绝大部分测量的分辨率要求。
4 结论
半波整流电容滤波电路分析 篇6
1单相半波整流电路
电路如图1所示,为了问题的简化并突出重点,所有器件都认为是理 想器件。变压器副 边电压U2是正弦波。
当U2在正半周时,A点电位比B点高,二极管D加正向电压而导通,因为忽略了二极管正向导通压降,所以uo与u2完全相同,则,负载电压uo、二极管管压降ud、 流过负载的电流io和二极管的电流id为:
当U2在负半周时,A点电位比B点低,二极管D加反向电压而截止,则,负载电压uo、二极管管压降ud、 流过负载的电流io和二极管的电流id为:
通过积分计算不难算出负载上输出电压、电流为
输出电压的脉动系数 ( S) 定义为输出电压的基波最大值与输出直流电压平均值之比。则
S = = = 1. 57
如图2所示。
2电容滤波电路
实际生活中桥式整流滤波电路应用广泛,这里以它为例分析一下电容滤波电路。
如图3 ( a) 所示,不妨令电容初始电压为零,则当u2按正弦规律从零时刻上升时,D1、D3导通,电容开始充电,因为导线和二极管都是理想器件,所以,电容充电完全和u2一样按正弦规律上升,直至充到最大值U2。此后u2按正弦规律下降; 电容两端电压的变化要复杂得多, 主要由电容容量和负载电阻决定。如果负载电阻无穷大即负载开路,则电容两端电压将不减小一直保持U2,这是因为u2下降后,电容两端电压大于u2,D1、D2都截止, 电容上电量没有放电回路不会减少。如果负载电阻不是无穷大即带载状态,则电容将通过电阻放电,电容两端电压将减小,但具体按什么规律减小还要具体分析。因为u2按正弦规律下降,速度由零逐渐增大,而电容电压按指数规律下降,速度由大逐渐减小到零 ( 理论上要无穷长时间) ,两者总有速度相等的时刻。显然在此之前电容一直被u2充电,电压与u2相等 ( 如图3 ( b) bc段所示) ,此后D1、D2都将截止,电容电压按指数规律下降 ( 如图3 ( b) cd段所示) 。其中的d点是下一个充电周期的开始, 此时u2电压的绝对值又等于电容电压,且按正弦规律上升,电容又开始充电。如此反复,周而复始。图3 ( c) 是考虑电源内阻及二极管压降的情况下的电容电压波形, 阴影部分为整流电路内阻上的压降。
从图3 ( b) 可以看出,经滤波后的电容电压不仅变得比较平滑且平均值也得到提高。电容放电时按指数规律变化,放电快慢由放电时间常数RLC决定,RLC越大放电越慢,输出电压越平滑平均值越大。
以上是从纯物理的角度对电容滤波的分析,下面从数学和物理的角度进行分析。
桥式整流电路波形傅里叶展开式如图4所示。
其中的第一项即是直流分量,也就是输出电压的平均值,后面各项为各次谐波。将此电压加在后面的RL、 C并联电路上,RL的阻抗与电源频率无关,而电容C的容抗为与频率有关,频率越高容抗越小。根据叠加原理我们可以理解为各个电源单独作用于RL、C并联电路。 则无论是电容或是负载电阻两端获得的电压都是uL,仍为全波整流波形,一点也没有实现 “滤波”效果。如果考虑电源内阻的作用,则由于内阻上压降与电源输出电流成比例,那么随着谐波频率的增高,电容容抗会越来越小,电容和电阻组成的阻抗的模就会越来越小,与电源内阻分压时获得的分压比例也就越来越小。结果是与uL各谐波相比,电阻两端电压的谐波幅度随谐波频率的升高而越来越小,电阻两端的电压总谐波含量比uL高频含量减少了,即部分谐波被滤掉了,达到了一定的 “滤波”目的。
比较以上从物理角度和数学物理角度进行的分析不难发现: 桥式整流波形用傅里叶级数展开后作用于电阻电容并联电路,考虑电源内阻时 “有部分滤波”和理想电源时毫无 “滤波”效果; 从物理角度分析时无论考虑不考虑电源内组电容都有很好的滤波效果。我们是从不同角度对同一物理现象进行分析的,怎么结果会如此大相径庭? 问题出现在哪里?
可以肯定的是桥式整流电容滤波充放电过程是没有错误的,桥式整流的波形是正确的,傅里叶级数也是没有问题的,相信电阻、电容频率响应,分压分流也是没有问题的,那么哪里有问题?
直流电路中含有电容器的研究 篇7
分析含有电容器电路的思路:
1. 电容器所在支路可看作是断开的, 在分析有关电容器相关量的讨论时, 电容器两端电压等于与其并联部分电路两端的电压。
2. 电容器与某一电阻串联后, 电路两端的电压就等于电容器两端的电压。
3. 选则电势零点, 分析出电容器两端的电势, 然后确定电容器两端的电压。
4. 电容器始终与电源相连接, 电容器两端的电压恒定不变; 电容器充电后与电源断开, 电容器的带电量保持不变。
下面举几个例子加以说明:
例1: 如图1 所示, M、N是平行板电容器的两个极板, R0为定值电阻, R1、R2为可调电阻, 用绝缘细线将质量为m、带正电的小球悬于电容器内部。闭合电键S, 小球静止时受到悬线的拉力为F。调节R1、R2, 关于F的大小判断正确的是 ()
A. 保持R1不变, 缓慢增大R2时, F将变大
B.保持R1不变, 缓慢增大R2时, F将变小
C.保持R2不变, 缓慢增大R1时, F将变大
D.保持R2不变, 缓慢增大R1时, F将变小
解析: 当电路接通后, 对小球受力分析: 小球受重力、电场力和悬线的拉力F三个力的作用, 其中重力为恒力, 当电路稳定后, R1相当于导线中没有电流, 电容器两极板电压等于R0两端电压, 当R2不变, R1变化时, 电容器两极板电压不变, 板间电场强度不变, 小球所受电场力不变, F不变, C、D两项错。若保持R1不变, 缓慢增大R2, R0两端电压减小, 电容器两端电压减小, 内部电场减弱, 小球受电场力减小, F变小。故B项正确。
例2: 如图2 所示, D是一支理想二极管, 电流只能从a流向b, 而不能从b流向a。平行板电容器的A、B两极板间有一电荷, 在P点处于静止状态。以E表示两极板间的电场强度, U表示两极板间的电压, Ep表示电荷在P点的电势能。若保持极板B不动, 将极板A稍向上平移, 则下列说法中正确的是 ()
例3:在图3所示的电路中, 已知电容C=10μF, 电源电动势E=12V, 内电阻不计, R1:R2:R3:R4=4:8:9:3, 则电容器极板b所带的电量为 ()
解析: 电源内阻不计, 则电源电压为12V, 电路稳定后电容器相当于开路, 由串并联电路的关系得, 则: U1= 4V, U2=8V, U3= 9V, U4= 3V, 取电源的负极电势为零, 则a板电势为8V, b板电势为3V, 故电容器两极板间电势差Uab= 5V, b极板带负电荷, 带电量为: Qb= - c Uab= - 5 × 10- 5C, B选项正确。
例4: 在图4 所示的电路中, 电源电动势E = 12V, 内电阻不计, 电容器的电容C1=10μF, C2= 20μF, 电阻R1=4Ω, R2= 8Ω, 先将开关闭合, 待电流稳定再将开关短开, 求: 开关短开后通过电阻R1、R2的电量各是多少?
解析: 电源内阻不计, 开关闭合后, 电阻R1、R2两端电压分别为U1= 4V, U2= 8V, 由于电容器相当于开路, 则电容器C1、C2的两端的电压分别为: Uc1= 4V, Uc2= 12V, 电容器C1的带电量为: QC1= C1Uc1= 4 × 10- 5C, 电容器C2的带电量为: Qc2= C2Uc2= 24 × 10- 5C, 电容器C1通过R1放电, 电容器C2通过R1、R2放电, 则通过电阻R1、R2的电量分别为: QR1=QC1=4×10-5C, QR2=QC1+QC2=2.8×10-4C。
例5: 如图5 所示, 电路中的各元件值为: R1= 30Ω, R2=60Ω, C = 300μF, 电源电动势E= 12V, 内阻不计, 单刀双掷开关S开始时接通触点2, 试求:
( 1) 当开关S从触点2 改接触点1, 且电路稳定后, 电容C所带电量。
( 2) 若开关S从触点1 改接触点2 后, 直至电流为零止, 通过电阻R1、R2的电量各为多少?
解析: 开关接通触点1, 电容器两端的电压等于R2两端的电压, 解得: UC= 8V, 电容器的带电量QC= 2. 4 × 10- 3C, 开关再接通2 时, 电容器放电, 外电路分别为R1、R2两个支路, 通过两支路的电量分别为: Q1= I1t, Q2= I2。通过电阻R1、R2的电量与它们电阻成反比, 即:
解得: 通过电阻R1的电量: Q1= 1. 2 × 10- 3C, Q2= 0. 8 ×10- 3C。
电容型传感器接口电路的研究 篇8
关键词：开关电容,CMOS集成,运算放大器
0 引言
电容型传感器可将非电物理量转化为电容量, 从而实现非电量到电量的转换。实际应用中其结构形式多种多样, 在加速度、湿度、振动、压力等测量中得到了广泛应用, 其精度和稳定性也日益提高, 特别是新材料、新工艺、新电路的开发, 使得电容式传感器的应用范围越来越大。同时随着微电子技术与微加工技术的发展, 系统的微型化、集成化和智能化逐渐成为未来传感器发展的方向[1]。因此传感器及其信号接口电路集成在同一芯片上成为研究的热点。通过系统集成, 使传感器和其信号接口电路尽可能地靠近, 从而很大程度地降低寄生参数和外部干扰, 还可以减小不同芯片之间互连的可靠性问题。采用标准IC工艺将传感器及其信号接口电路单片集成, 可以实现低成本批量制造。然而微弱信号接口电路的设计依然对传感器的单片集成提出了挑战。因此, 设计出性能良好的传感器信号接口电路成为系统的关键之一。
1 基本原理
电容型传感器接口电路的功能就是将电容传感器随待测物理量变化而变化的电学特征量 (电容) 转化成电压、电流或频率。其中基于开关电容电路的此类电路具有采样、滤波、数字化等功能[2], 通过分时工作方式, 采用电容反馈形式, 获得与传感电容值相关的输出电压, 因此有着广泛的应用。而且开关电容电路与标准IC工艺完全兼容[3], 因此可以基于CMOS集成工艺, 采用开关电容电路的形式, 将接口电路集成化。
基于开关电容电路的电容型传感器接口电路检测原理如图1所示, 电路由传感电容Cs, 参考电容Cr, 反馈电容Cf, 运算放大器和开关S1, S2等组成[4]。
电路工作分两个阶段进行。在阶段1, 开关S1受低电平控制断开, 开关S2受高电平控制闭合。电源电压Vr对传感电容Cs进行充电, 参考电容Cr接地放电, 运算放大器输出端与负输入端短接。根据运算放大器虚短虚断的特性, 输出电压等于运算放大器正输入端的偏置电压Vbias。此时存储在运算放大器负输入端的电荷总量为:
Q1= (Vbias-Vr) Cs+VbiasCr (1)
在阶段2, 开关S1受高电平控制闭合, 开关S2受低电平控制断开。传感电容Cs接地放电, 电源电压Vr对参考电容Cr进行充电, 反馈电容Cf将运算放大器的输出端与负输入端连接起来, 控制运算放大器的闭环增益。此时存储在运算放大器负输入端的电荷总量为:
Q2=VbiasCs+ (Vbias-Vr) Cr+
(Vbias-Vout) Cf (2)
根据电荷守恒原理, 即阶段1和阶段2中存储在运算放大器负输入端的电荷保持守恒, Q1=Q2, 得到阶段2中的输出电压表达式为:
Vout=Vr (Cs-Cr) /Cf+Vbias (3)
从输出电压的表达式可以看出, 电路的输出电压为一与输入电压同频率的对称方波信号, 其幅值正比于传感电容Cs与参考电容Cr的差值, 电源电压Vr和反馈电容Cf的比值控制电路的闭环增益。通过输出电压幅值的测量, 即可求得传感电容值, 进而反映待测物理量的值。
2 电路设计
2.1 运算放大器的设计
运算放大器是接口电路的主要部分, 也是实现电路功能的关键。设计一个运算放大器首先要根据性能要求选择一种合适的结构。接口电路需要运算放大器提供较高的增益和较大的输出摆幅以满足其对精度和输出范围的要求, 所以选择两级运放作为运算放大器的结构, 其电路如图2所示[5]。
放大器第一级采用的是由M1～M11构成的PMOS差分输入折叠式共源共栅放大电路。
共源共栅结构具有较高的输出阻抗, 不但可以提供较高的增益, 而且具有“屏蔽”作用, 使输入器件不容易受输出节点电压变化的影响。这种结构通常又分为套筒式和折叠式。套筒式具有增益高、功耗低、频率特性好等特点, 但输出摆幅较低, 折叠式具有输出摆幅高, 共模输入范围大等特点, 但增益相对较低。为了具有较高的输出摆幅和较大的共模范围, 采用了折叠式共源共栅结构, 其增益相对较低的问题可由两级运放这一结构解决。
差分输入对可采用NMOS或PMOS来实现, 采用NMOS作为差分输入对, 可以提供较高的跨导, 有利于提高运放的直流增益, 但需要采用PMOS作为共源共栅管, 在同样的偏置条件下, PMOS管的跨导为NMOS管的1/2～1/3, 限制了运算放大器的次极点频率;若采用PMOS作为差分输入对, 运放具有较低的噪声和较高的次极点频率, 但直流增益较小[6]。基于对直流增益和单位增益带宽的折中考虑, 采用了PMOS作为差分输入对。
根据图2所示电路, 可得运算放大器的第一级增益为:
AV1≈gm1{[ (gm8+gmb8) ro8 (ro1//ro10) ]//
[ (gm6+gmb6) ro6ro4]} (4)
其中, gm1, gm8, gmb8, gm6, gmb6分别为M1, M8和M6的跨导, ro8, ro1, ro10, ro6和ro4分别为M8, M1, M10, M6和M4的本征电阻。
第二级是由M12, M13构成的共源级放大器, 此结构具有较低的输出阻抗, 驱动负载能力较强, 而且消耗的电压余度低, 可以提供较高的输出摆幅。其增益为:
AV2≈gm13 (ro13//ro12) (5)
其中, gm13为M13的跨导, ro13ro12分别为M13和M12本征电阻。
偏置电路由M14～M20构成, 为各级放大器提供合适的偏置电流以及偏置电压, 使运放能够正常地工作。电路中采用基本电流镜的形式, 可以精确地复制电流源I1的电流, 而不受工艺和温度的影响, 输出电流和基准电流的比值只由器件的尺寸决定, 因此能为系统提供较为精确的偏置。
运放的补偿采用Miller补偿的形式, 利用其“极点分裂”效应, 为系统提供较高的带宽。其中C1为Miller补偿电容, R1为改善零点频率的电阻, C2为负载电容。
考虑到两级运放工作的稳定性, 设计运放的相位裕度为60°, 运放负载电容为10pF, 根据公式
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取Miller补偿电容C1为4pF, 电阻R1为7kΩ。
2.2 MOS开关的设计
开关电容电路中的开关也是传感器接口电路设计的关键。采用NMOS作为开关工作时, 如果栅压Vg是高电平, 源和漏导通, 电路可以“跟踪”输入信号Vin;如果栅压Vg是低电平, 源和漏断开, 电路可以“冻结”Vin的瞬态值。由于这种器件是对称的, 所以源漏可以互换。采用CMOS作为开关工作时, 开关由PMOS和NMOS并联而成。当NMOS栅极电压值Vg, n为低电平, PMOS栅极电压值Vg, p为高电平, 两只管子均截止, 实现一个有效的开路;当NMOS栅极电压值Vg, n为高电平时, PMOS栅极电压值Vg, p为低电平时, 两只管子均导通, 给出一个低阻抗状态。这样CMOS开关的导通压降较单个MOS管下降很多, 从而保证了电容充放电电流是恒定的[7]。因此, 在开关电容电路中采用CMOS开关作为电路中的开关。
2.3 整体接口电路的实现
根据上述运算放大器和开关的设计, 可得如图3所示的整体接口电路图。其中, 参考电容Cr和反馈电容Cf均为10pF, 电源电压Vr为3.6V, 运算放大器正输入端的偏置电压V1为0.5V。Vin是外加用来控制MOS开关的时钟脉冲, 摆幅为0～5V, 频率为1kHz。
3 电路仿真
3.1 运算放大器的仿真
通过理论分析与计算, 基于0.6μm CMOS工艺, 对运算放大器及其偏置电路中的各个MOS管进行参数设定, 利用Hspice软件对电路进行多次仿真, 并对各个MOS管的参数进行相应调整, 最终得到如图4所示的运算放大器的交流分析结果。根据仿真结果可得:此运放的开环增益为91.842dB, 相位裕度为58°, 表示运放已经基本达到理想状况;3dB带宽为1kHz左右, 单位增益带宽为14.042MHz, 因为考虑到要设计高增益运放, 所以其带宽相对较窄。但由于电路中采用的开关频率较低, 所以此运放能满足开关电容电路的工作要求。
3.2 整体接口电路的仿真
利用HSpice软件对整体接口电路进行参数扫描仿真, 当Cs值分别为10pF, 11pF, 12pF, 15pF时得到如图5所示的电路输出波形。
从仿真结果可以看出, Vout在阶段1被钳位在运放的正输入端偏置电压为0.5V;在阶段2, Vout输出一个与传感电容成比例的直流电压, 当传感电容变化0.01pF时, 输出电压就有3.6mV的变化, 二者成线性关系, 得到理想的输出波形。
4 结束语
基于0.6μm CMOS工艺, 设计了一种结构简单、新颖的CMOS集成电容型传感器接口电路。HSpice瞬态分析结果表明该电路的输出电压为与输入电压同频率的对称方波信号, 其幅值随传感电容的变化而变化。当传感电容变化0.01pF时, 输出电压将产生3.6mV的变化, 与理论分析结果相吻合。同时本电路具有结构简单新颖, 分辨率高, 与CMOS工艺兼容等特点, 适用于大多数电容型传感器接口电路的要求, 具有较高的实用价值。
参考文献
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论电容在集成电路板的应用及选取 篇9
旁路电容, 以旁路电容的电路称为旁路电容供电的本地组件, 它具有均匀的输出阻抗, 减少干扰信号的滤除信号中的高频分量的滤波器, 主要是滤除高频杂波, 正常情况下, 聚酯陶瓷电容器的容量一般较小基于皮肤。
去耦电容:即用于去耦电路中的电容叫做去耦电容, 多用于多级放大器的直流电压供给电路中, 以消除每级放大器间的耦合干扰, 滤除输出信号的干扰, 把输出信号的干扰视为滤除对象, 亦可将去耦电容视为电池, 利用其充放电, 使信号放大后不会因电流的畸变而受到干扰。它的容量可依据信号的频率或抑制波纹程度而定。
耦合电容:耦合电容是用于电容耦合电路, 称之为电容耦合, 用于低频信号的传输和放大, 以防止前后两个阶段的电路静态工作点的相互作用, 以发挥分离直流量的通信
滤波电容:用在滤波电路中的电容称为滤波电容器。这是我们通常使用后的整流电源的电容器, 它是成脉动直流整流电路整流电路, 要顺利通过充电和放电的电容和电容一般电解电容和容量较大, 在微观层面。
消震电容:用于高频损耗的电容振荡电路, 被称为高频振动电容, 用于音频放大器具有负反馈, 消除了高频放大器的可能发生高频啸叫现象。
补偿电容:用于电容补偿电路被称为补偿电容, 是用于高低音补偿电路, 以提高在高频和低频信号的播放信号。
2 电容的分类
2.1 铝电解电容器
容量范围是0 ~ F1, F2, 高纹波电流, 大容量, 稳定耐用的电容器, 广泛用于电源滤波器, 耦合器等场合。
2.2 薄膜电容器
电容系列0.1 皮法~ 10 皮法, 一个较小的耐受能力高、稳定性和非常低的电压的效果, 所以是X, Y安全电容, EMI / EMC为优先选择。
2.3 钽电容
容量范围是2.2 微法~ 560 微法系列电容, 低等效串联电感, 低等效串联电感, 低等效串联电阻的脉冲吸收、噪声抑制和瞬态响应都表现的明显比铝电解电容器更出色, 是高稳定性电源的不二选择。
2.4 陶瓷电容器
容量范围在0.5 皮法~ 100 微法系列电容, 独特的材料工艺和超薄的薄膜技术, 足以满当今的更轻、更薄、更节能的设计要求。也是当今市场广泛应用的领域。
2.5 超级电容器
容量范围在0.022 法 – 70 法系列电容, 电容容量值高, 这被称为“黄金电容”或“法拉电容器”。其主要特点是:非常高的容量值, 优秀的充电/ 放电特性, 广泛应用于电能的存储和备份, 缺点是耐压力较低, 可承受温度范围较狭窄。
在这里顺便再说一下今后电容的发展趋势电容今后的发展趋势就是小型化, 大容量。其中, 多层陶瓷电容领域是发展最快的。市场上也有很多企业在做这方面的工作。
多层陶瓷电容器在轻便移动式产品中得到了广泛且成功的应用, 但最近几年, 只能数字设备的技术进展也对数字电路电子产品的发展提出了新的要求。例如手机需要更高更快的发送速率和更强的功能;带宽处理器要求速度高、电压低;显示设备需要的厚度不得大于0.5毫米, 这就需要更小体型更大容量的电容器。
电容的选择
电容种类比较多在不同的应用场合主要考虑的参数也不一样
常见的考虑参数有:电压;容量 (电容值) ;电容量的容差;等效串联电阻;温度系数, 工作温度范围;漏电流;寿命;等等。通常, 应该如何为我们的电路选择一颗合适的电容呢?笔者认为, 应基于以
1、电容的规格;
2、电容的类型;
3、噪声等级;
4、直流偏压下的电容变化量;
5、容值误差;
6、额定耐压;
7、静电容量;
等几点要求考虑。
有人问了, 是否有快捷的方式帮助我们选择?其实, 电容作为电路器件的外围元件, 几乎每个器件的名牌或者特别标示, 都比较明确地指出了外围元件的参数及性能特性, 也可以说是, 依照铭牌即可以获得基本的器件选择要求, 然后再进一步根据环境, 作用, 场所等特殊要求。而我们往往只注重看电容的容量和种类, 却忽略了电容所要长期使用的环境, 特殊的电路必须按其特殊要求选择。
例如发动机中的多层陶瓷电容器的要求就比较特殊:首先是耐高温, 陶瓷电容器要在200℃的环境温度下长期正常工作;接下来是要能承受电池短路产生大电流的冲击而不击穿, 下面还要求体积不能太大, 必须能放置在狭小的空间内。举这个例子就是说, 选择电容不能只看容量, 更要注重综合选择, 这样不但能使电容与设备相匹配, 更能保证电容的工作寿命, 保证整个设备的使用年限。
以上是我对电容的分类应用及选择的一点认识, 希望能帮助到你, 科技在发展, 文明在进步, 这些都离不开人们对新事物的探索与追求, 只要有有了追求, 新事物, 高尖端事物才能源源不断的展示出来, 世界才会变得缤纷多彩。
摘要：现在的电子产品中无处不存在电容的身影。有时, 一个电容的好坏就能导致一个产品, 一套设备, 乃至一条产线的停摆。在不同的电路中, 不同的环境下, 电容起到的作用却不相同, 今天就来来详介一下电容的不同作用, 及如何选取更适合不同工作的电容。
关键词：电子产品,电容
参考文献
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