Устройство на КМОП элементах измеряет емкости пикофарадного диапазона

Инверторы КМОП микросхемы CD4069 можно применять как в цифровых, так и в аналоговых приложениях. Предлагаемая статья иллюстрирует это на примере использования всех шести инверторов корпуса микросхемы CD4069 для создания измерителя емкости с обратной связью, основанного на изменении коэффициента заполнения, с диапазоном полной шкалы менее одного пикофарада.

При непосредственной обратной связи выходной сигнал инвертора стабилен; когда выход одного логического элемента напрямую соединен с входом, результирующее выходное напряжение находится возле порогового значения VT. Если резистор R подключен между входом и землей, протекающий через него ток равен ~VT/R, как показано на Рисунке 1б. Его величина остается довольно постоянной, даже когда в цепь обратной связи добавляется резистор, сопротивление которого мало по сравнению с R. Окно неопределенности ΔVT вокруг порога VT, в котором выходной уровень логического элемента меняется с «лог. 0» на «лог. 1», по сравнению с самим значением VT очень мало. Это означает, что напряжение на резисторе R будет оставаться в пределах VT ± ΔVT/2, обеспечивая приблизительно постоянный ток через него. (Поскольку выходное напряжение может иметь значение, практически равное VDD, на резисторе обратной связи может падать напряжение VDD – VT). Таким образом, контур обратной связи является источником постоянного тока.

Измеритель емкости с диапазонами полной шкалы 2.5 пФ-250 пФ, в котором использованы все шесть инверторов микросхемы CD4069 (а). Источник постоянного тока на одном логическом элементе (б).
Рисунок 1. Измеритель емкости с диапазонами полной шкалы 2.5 пФ-250 пФ, в котором
использованы все шесть инверторов микросхемы CD4069 (а). Источник
постоянного тока на одном логическом элементе (б).

Если включить в этот контур конденсатор, его можно заряжать с постоянной скоростью, что позволит получить линейно нарастающее напряжение. Этот метод реализован в схеме, показанной на Рисунке 1а, для построения измерителя емкости с пикофарадным диапазоном полной шкалы. Он состоит из автогенератора на двух логических элементах G1 и G2, генератора пилообразного напряжения на элементе G3, скорость нарастания которого зависит от емкости измеряемого конденсатора CX, детектора уровня на элементе G4 и двух буферов G5, G6, управляющих стрелочным прибором через калибровочный резистор RCAL.

Скомпенсировать ошибку, создаваемую паразитной емкостью, можно, регулируя коэффициент заполнения импульсов автогенератора 10-килоомным потенциометром «Установка нуля». Автогенератор управляет генератором пилообразного напряжения через изолирующий диод D1, который обеспечивает быстрый разряд конденсатора CX, но позволяет ему заряжаться только через резистор генератора пилообразного напряжения 20 МОм, 2 МОм или 200 кОм. Смещенный в обратном направлении диод имеет эффективное сопротивление порядка 109 Ом, что намного больше даже резистора 20 МОм.

Комплементарный выход автогенератора управляет инвертором G6, выход которого подключен к одной из клемм измерительного прибора. Логический элемент G4 служит датчиком уровня пилообразного напряжения, подаваемого на него через делитель R1/R2. (При желании значения сопротивлений могут быть увеличены). Выход инвертора G4  через буферный элемент G5 соединяется со второй клеммой измерительного прибора. Пилообразное напряжение эффективно задерживает задний фронт импульса автогенератора на время, прямо пропорциональное емкости конденсатора CX. Благодаря этой задержке в течение части периода на измерительном приборе создается разность напряжений, отражающая значение CX. При управлении цифровым измерительным прибором может потребоваться RC фильтр.

Высокое входное сопротивление КМОП элементов – еще одна важная особенность, благодаря которой эта конструкция работает, позволяя использовать на входе резисторы с большими сопротивлениями, такими как 20 МОм или более. Для создания законченного надежного измерителя емкости в этой простой схеме используется всего одна микросхема инвертора 4069.

Работа схемы поясняется диаграммами на Рисунке 2.

Диаграммы, поясняющие работу схемы на Рисунке 1. Синий цвет - сигнал на входе логического элемента G5, красный - на входе G6.
Рисунок 2. Диаграммы, поясняющие работу схемы на Рисунке 1. Синий цвет – сигнал на входе
логического элемента G5, красный – на входе G6.

На Рисунке 2а показаны два противофазных сигнала с коэффициентом заполнения 50%, подаваемых на измерительный прибор. Средняя разность равна нулю, поэтому стрелка измерительного прибора не отклоняется.

На Рисунке 2б представлены сигналы автогенератора, компенсирующие паразитную емкость, где в фазах a и b создаются равные и противоположные сигналы отклонения стрелки прибора, при которых результирующее отклонение точно равно нулю. Однако вносимая пилообразным напряжением задержка приводит к смещению положения одного из сигналов (нулевая фаза c'). Во время этой нулевой фазы c' результирующая разность потенциалов на измерительном приборе равна нулю, поэтому отклонения стрелки не происходит. В целом в течение полного периода счетчик имеет чистое нулевое суммарное отклонение. Следует отметить, что компенсация паразитной емкости обеспечивается с помощью регулировки коэффициента заполнения импульсов автогенератора, которые представлены на диаграмме красным цветом.

На Рисунке 2в показаны сигналы измерителя, когда в генератор пилообразного напряжения включен измеряемый конденсатор CX. Это вносит дополнительную задержку, создающую асимметричные отклоняющие моменты в измерительном приборе. Фаза a теперь длится относительно дольше фазы b, превышая ее на величину ​​​​​​​d', пропорциональную емкости конденсатора СХ. Таким образом, для одного периода T импульсов автогенератора остаточное суммарное отклонение теперь определяется длительностью фазы d (= ​​​​​​​d'). Среднее отклонение, наблюдаемое на измерительном приборе, теперь зависит от отношения d/T, которое, в свою очередь, соответствует емкости измеряемого конденсатора.

Реализация ШИМ с использованием двух инверторов.
Рисунок 3. Реализация ШИМ с использованием двух инверторов.

Другим применением источника постоянного тока с интегратором является реализация схемы ШИМ с использованием всего двух логических элементов (Рисунок 3). VIN представляет напряжение на резисторе 100 кОм, которое должно превзойти пилообразное напряжение, чтобы переключить выходной инвертор. При необходимости напряжение смещения VT можно получить с помощью другого инвертора, выход которого соединен с входом.

  1. Datasheet Texas Instruments CD4069UB

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 60
сейчас смотрят 3
представлено поставщиков 1569
загружено
позиций
25 067 862