Стабилизаторы

Многие электротехнические устройства требуют поддержания напряжения на заданном уровне с небольшими отклонениями, т.е. его стабилизации. Общеизвестный пример – телевизор. Есть и другие причины, требующие стабилизации напряжения, а иногда и тока. Так, при повышенном напряжении резко снижается срок службы многих изделий. Другой пример: изменения напряжения изменяют характеристики полупроводниковых приборов, что может расстроить работу ответственных устройств автоматики и вычислительной техники. Наконец, в устройствах контроля технологических параметров часто значение контролируемого параметра преобразуется в пропорциональное ему напряжение, которое сравнивается с опорным напряжением. Ясно, что опорное напряжение не должно изменяться. Можно привести и другие очень важные причины, требующие стабилизации напряжения.

Стабилизация достигается многими способами. Здесь рассматриваются обозначения в схемах наиболее употребительных стабилизаторов.

Рис. 2.10.2 Стабилизаторы

Стабилизатор феррорезонансный (рис. 2.10.2, а) может быть обозначен так же, как трансформатор 1 с нелинейным регулированием. Кроме того, его позиционное обозначение укажет на то, что это стабилизатор.

Если же есть причины, чтобы показать более подробно внутренние соединения, то это может быть сделано, например, так, как показано на рис. 2.10.2, а, поз. 2. Здесь изображены два трансформатора, первичные обмотки которых соединены последовательно (точки, обозначающие начала обмоток, расположены с одной стороны), а вторичные обмотки – встречно (точки расположены с разных сторон). Кроме того, обозначено нелинейное регулирование – ломаная черта.

Стабилизаторы полупроводниковые – стабилитроны (диоды лавинные выпрямительные) односторонний 3 и двусторонний 4 (рис. 2.10.2, б).

Стабилизатор ионный (стабилитрон) показан на рис. 2.10.2, в. Здесь А – анод, К – катод, Г – обозначение газового наполнения.

Упрощенные изображения любых стабилизаторов иллюстрирует рис. 2.10.2, г, где 6 – стабилизатор (буквы SТ, перед которыми нарисована звездочка), 7 – стабилизатор напряжения, на что указывает буква U, 8 – стабилизатор тока (). Обратите внимание: звездочка (*) перед буквенным обозначением указывает на то, что стабилизатор является нелогическим элементом (подробнее в гл. 2.11).

К прямоугольникам подводят столько проводов, сколько требуется в каждом конкретном случае.

Бесконтактные логические элементы первого поколения выполнялись из дискретных компонентов (т.е. из раздельных составных частей, например транзисторов и других изделий) с помощью навесного монтажа на платах с печатным монтажом. Смонтированная плата помещена в пластмассовый корпус и залита компаундом. В настоящее время в основном применяют твердотельные интегральные микросхемы (ИМС).

Но как бы ни были выполнены логические элементы, они строятся по модульному принципу.

Модуль представляет собой конструктивно и функционально законченное изделие, что дает возможность набирать нужную схему из сочетания различных модулей, испытывать каждый модуль отдельно, заменять неисправный модуль исправным и т. д. Модули с логическими элементами подразделяются на ячейки, субблоки и блоки.

Ячейка – минимальный конструктивный модуль, т.е. плата с разъемом, на которой установлены ИМС и раздельные резисторы, конденсаторы и т.п.

Блок – основной конструктивно-функциональный модуль. Он представляет собой законченный функциональный узел, собранный на ячейках.

Логические элементы являются двоичными. Это значит, что в них используются входные (подаваемые на логический элемент) и выходные (снимаемые с логического элемента) сигналы только в двух крайних (предельных) состояниях. Иными словами, двоичные логические элементы дискретны (от лат. diskretus — прерывистый, прерывный, понятие дискретный противоположно понятию непрерывный). Они выполняют (реализуют) только такие функции, при которых либо присутствует, либо отсутствует входной сигнал.

Наличие сигнала характеризуется состоянием «логическая единица» (в дальнейшем 1), а отсутствие сигнала – состоянием «логический нуль» (в дальнейшем 0).

Заметим здесь же, что 1 и 0 это не числа, а обозначение состояний.

Вместо слова сигнал часто говорят двоичная переменная, а зависимость выходного сигнала от входного, т.е. зависимость соответствующих двоичных переменных, называют функциональной.

В алгебре логики одно состояние принимается за истинное и обозначается 1, а другое состояние, ему противоположное, в этом случае является ложным и обозначается 0. Например, если «да» истинно (1), то «нет» — ложно (0). Если контакт замкнут, истинно (1), то контакт разомкнут – ложно (0). Если ток проходит истинно (1), то отсутствие тока ложно (0). Если намагничено 1, то размагничено 0.

Заметим, что одно и то же состояние в одном случае может быть принято за истинное, а в другом его же принимают за ложное. Все зависит от того, какое в конкретном случае принято соглашение. Например, в соглашении положительной логики более положительное значение физической величины соответствует состоянию 1. А в соглашении отрицательной логики оно же соответствует состоянию 0.

Обозначение стабилизатора напряжения на электрической схеме. Ремонт электронных устройств. Источники электрической энергии

Проведение электромонтажных работ предполагает наличие определенных знаний, чтобы выполнить безопасное подключение объекта к сети питания. Важным элементом любой электрической схемы является автоматический выключатель, задача которого – отключить питание в случае перегрузки системы или воздействия тока короткого замыкания. Получая актуальную информацию из чертежей, электрик «читает» обозначение каждого устройства.

В случае кабелей с изоляцией из силиконовой резины очень важно учитывать возможность их механического повреждения с другой изоляцией окружающей температуры. Проводники, питаемые от безопасного источника напряжения, направляются вместе с проводами питания.

Как обозначается блок выключателей с розеткой

Проводники разных цепей с разными напряжениями могут храниться рядом друг с другом, при условии, что они разделены соответствующими барьерами или должны быть изолированы от самого высокого напряжения, которое может произойти. Безопасные провода не должны быть подключены вместе с низковольтными проводами, электроды с изоляцией 4 кВ должны быть выбраны для проводов низкого напряжения и безопасного напряжения. Он в основном питается от различных датчиков, предохранительных ворот и т.д.

Условное изображение автоматов

Чертежи разрабатывают согласно ГОСТ 2.702-2011, содержащего информацию о правилах выполнения электросхем. В качестве дополнительной нормативной документации используется ГОСТ 2.709-89 (провода и контакты), ГОСТ 2.721-74 (УГО в схемах общего применения), ГОСТ 2.755-87 (УГО в коммутационных приспособлениях и контактах).

Синий цвет для нулевого провода, зелено-желтый для защитного проводника или нуля с синими отметинами на концах. Драйверы на машине не отмечены функцией. Устройства управления, используемые в контакте человека и машины, должны быть четко обозначены функцией. Многие производители машин вообще не отмечают главный выключатель, указывая только на их позиции. Кнопки управления отмечены только красным цветом для кнопок переключателя и зеленой кнопки питания.

Остерегайтесь, красный цвет зарезервирован для аварийного останова или выключения. Терминальные двигатели на машине недоступны. Терминалы двигателя должны быть доступны для облегчения тестирования и проверки, замены кабеля. Электродвигатели не расположены должным образом из-за охлаждения.

Согласно государственным стандартам, автоматический выключатель (средство защиты) в однолинейной схеме электрического щита изображается следующей комбинацией:

• прямая линия электроцепи;
• разрыв линии;
• боковое ответвление;
• продолжение линии цепи;
• на ответвлении – незакрашенный прямоугольник;
• после разрыва – крестик.

Иное условное обозначение имеет двигателя. Кроме графического, в схеме присутствует буквенное изображение. В зависимости от особенностей автомата электротехническое приспособление имеет несколько вариантов записи:

Электродвигатели должны размещаться в легко вентилируемых корпусах. ‘. Маркировка предупреждающая метка на машине не достаточно длинная. Маркировка на машине должна противостоять окружающей среде. Рис. 7: Пример несоответствующей конструкции предупреждающих надписей на импортированной машине.

Условные графические обозначения элементов принципиальных схем

Недостаточно технической документации для машины. На диаграмме показана схема электрических и гидравлических контуров, взятых из руки на смазанную маслом бумагу. Разумеется, каждая машина, техника, должна быть оборудована технической документацией с необходимой информацией, чтобы обеспечить безопасную установку, эксплуатацию и обслуживание машин и их электрооборудования. Техническая документация, включая инструкции по использованию, заслуживает отдельной главы.

При разработке схемы электрической цепи учитывается степень вероятной нагрузки приборов и оборудования на линию, и в зависимости от мощности приборов можно устанавливать один выключатель или несколько автоматов.

Селективное подключение средств защиты

Если предполагается высокая нагрузка в сети, применяют метод последовательного подключения нескольких устройств защиты.

К примеру, для цепи из четырех автоматов с номинальным током по 10 А и одним вводным прибором на схеме каждый автомат с дифзащитой графически обозначается последовательно друг за другом с выходом устройства на общий вводный прибор. Что это дает на практике:

Электрический ток Электрический ток предназначен для перемещения свободных частиц с электрическим зарядом. В направлении электрического тока в проводнике мы называем направление упорядоченного движения положительно заряженных носителей тока согласно соглашению.

Проводимость Свойство металлов для проведения электрического тока через свободные электроны называется электронной проводимостью металлов.  Электроны проводимости  Подключение металлического проводника к источнику постоянного напряжения Генерация постоянного тока.

• соблюдение метода селективности подключения;
• отключение от сети только аварийного участка цепи;
• неаварийные линии продолжают функционировать.

Таким образом, обесточивается только один из четырех приборов – тот, на который пошла перегрузка напряжения или возникло короткое замыкание. Важное условие селективного срабатывания: чтобы номинальный ток потребителя (светильника, бытового прибора, электротехнического устройства, оборудования) был меньше номинального тока автомата со стороны питания. Благодаря последовательному подключению средств защиты, удается избежать возгорания проводки, полного обесточивания системы питания и оплавления проводов.

Соотношение постоянное для определенного проводника, независимо от напряжения или тока в проводнике. Электрическое сопротивление  Для разных проводников константа отличается. Электрическое сопротивление  Свободные электроны с решетчатыми ионами из-за теплового движения. Это зависит от:  — Удельное электрическое сопротивление  — Длина металлической проволоки  — Содержание поперечного сечения.

Представление электрической схемы

Закон Ома  для замкнутого контура  Замкнутая электрическая схема состоит из внешней и внутренней частей цепи. Техническая документация — существенная часть производства, монтажа и обслуживания электротехнического оборудования. Его масштаб и дизайн предписываются стандартами. Электрические схемы рассчитаны на электрическую проводку и объясняют электрическую функцию.

Классификация приборов

Механизм автоматического выключателя

Согласно составленной схеме выбирают электротехнические устройства. Они должны отвечать техническим требованиям, предъявляемым к конкретному типу изделий. Согласно ГОСТ Р 50030.2-99, все автоматические средства защиты классифицируют по типу исполнения, среде использования и обслуживанию на несколько разновидностей. При этом единый стандарт ссылается на использование ГОСТ Р 50030.2-99 совместно с МЭК 60947-1. ГОСТ применим для коммутации цепей с напряжением до 1000 В переменного и 1500 В постоянного тока. Автоматические выключатели классифицируют на следующие виды:

Электротехнические диаграммы можно разделить на пояснительные и практические. Пояснительные схемы можно разделить на блок, обзор, обучение и схему. Схемы реализации могут быть разделены на проводки и ситуационные. Принцип рисования должен быть ясностью схемы, т.е. рисованием без ненужного пересечения проводов и использованием схемных меток. Если устройство состоит из нескольких функциональных частей, его можно разделить на отдельные блоки и сделать отдельными схемами.

Для упрощения построения электрических цепей мы используем схематические теги, из которых мы рисуем схемы. Схематические знаки — это стандартные символы элементов, компонентов, машин, устройств и устройств, таких как приборы, переключатели, резисторы или провода, используемые для сборки электрических цепей. Знаки указывают электрические функции элементов, но они не предоставляют информацию о конструкции и технологическом дизайне элементов. Используя схематические теги, электрические схемы могут быть четко нарисованы.

• со встроенными плавкими предохранителями;
• токоограничивающие;
• стационарного, втычного и выдвижного исполнения;
• воздушный, вакуумный, газовый;
• в пластмассовом корпусе, в оболочке, открытого исполнения;
• аварийный выключатель;
• с блокировкой;
• с расцепителями токов;
• обслуживаемый и необслуживаемый;
• с зависимым и независимым ручным управлением;
• с зависимым и независимым управлением от источника питания;
• выключатель с накопителем энергии.

Кроме того, автоматы различаются по числу полюсов, роду тока, числу фаз и номинальной частоте. Выбирая конкретный тип электротехнического устройства, необходимо изучить характеристики автомата и проверить соответствие прибора схеме электрической цепи.

Графические теги могут быть размещены независимо от фактического расположения элементов в схеме. Рекомендуется их горизонтальное или вертикальное положение. Связывание элементов на схеме соответствует фактическому соединению. В любом случае, функция проводки должна быть хорошо видна. Устройства и отдельные устройства рисуются в схеме в основном состоянии, т.е. в состоянии, которое будет привлекать без влияния внешних воздействий.

Выбор чертежа размера схемных знаков зависит от требований хорошего обзора всей схемы. Символы соединений, проводов и линий должны быть нарисованы с одинаковой толщиной линии. Различные толщины используются там, где это способствует ясности. При использовании горизонтально отрисовенных меток рекомендуется указывать обозначение компонента над схематичным знаком, вертикально вытянутыми компонентами слева от знака, справа от него или с обеих сторон. Там, где происходит разветвление проволоки, и в точке гальванической связи ширина линии, представляющая проводник, обозначена точкой по диаметру.

Маркировка на приборе

Маркировка на приборе

Техническая документация обязывает производителей автоматических устройств указывать полную маркировку изделий на корпусе. Основные обозначения, которые должны присутствовать на автомате:

• торговая марка – производитель устройства;
• наименование и серия приспособления;
• номинальное напряжение и частота;
• значение номинального тока;
• номинальный дифференциальный ток отключения;
• УГО автоматического выключателя;
• номинальный дифференциальный ток короткого замыкания;
• обозначение маркировки контактов;
• диапазон рабочих температур;
• маркировка включенного/отключенного положения;
• необходимость ежемесячного тестирования;
• графическое обозначение типа УЗО.

Иллюстрация простой электрической цепи

Рис. 1: графические теги для схем. Обозначение типов трансформаторов обычно варьируется от производителя к производителю. Маркировка с техническими параметрами. Название трансформатора также отражает его технические параметры. Мы используем аналогичное обозначение для дросселей.

Общее использование трансформатора очень велико, обычно трансформатор можно использовать везде, где нам нужны разные значения напряжения, чем в сетке. Силовые трансформаторы используются для схем управления мощностью. Для электрических цепей с более чем пятью электромагнитными катушками управления рекомендуется использовать силовые трансформаторы. Существует ряд преимуществ от трансформаторов питания, таких как легкая адаптация к различным сетевым напряжениям. Токи короткого замыкания в сети питания остаются в порядке величины применимыми для используемых средств управления.

Информация, указанная на автомате, позволяет разобраться, подходит ли электротехническое устройство к конкретной цепи, обозначенной на схеме. Отталкиваясь от маркировки, чертежа и расчета потребляемой мощности, можно грамотно организовать подключение объекта к электропитанию.

2.9. Пьезоэлектрические устройства, измерительные приборы, источники питания (ГОСТ 2.736-68, ГОСТ 2.729-68, ГОСТ 2.742-68, ГОСТ 2.727-68)

Обозначения изделий и конструкторских документов

В испытании напряжения рабочее средство, находящееся в цепи управления, не подвергалось испытательному напряжению. Напряжение, отличное от напряжения питания, может быть произведено путем нагнетания силового трансформатора. Пики напряжения, возникающие в распределительной сети, не влияют на рабочие средства в цепи источника питания. Цепи питания могут работать как с заземлением, так и без заземления независимо от типа сети. Силовые трансформаторы производятся с отдельными первичными и вторичными обмотками.

Вопросы для самопроверки

2.1. Символы общего применения (ГОСТ 2.721-74)

Для построения УГО с уточнением особенностей элементов схем используют базовые символы и различные знаки. Большое распространение в схемах радиоустройств, электротехнических изделий имеют знаки регулирования – различные стрелки, пересекающие исходный символ или входящие в него, пересекающие исходный символ под углом 45°, указывающие на переменный параметр элемента схемы (рис. 2.1, а ).

Вопросы для самопроверки

Соединение силовых трансформаторов в соответствующем устройстве должно выполняться за главным выключателем, предпочтительно между двумя внешними проводниками, и должно включать соответствующие меры короткого замыкания. Для определения размера в дополнение к номинальной мощности важна кратковременная мощность. Трансформатор сепаратора может использоваться везде, где требуется гальваническое разделение. Это означает разделение сетевого напряжения от подключенного оборудования и, таким образом, повышение безопасности устройства.

Стрелка может быть дополнена знакоцифровым символом. Так, на рис. 2.1, б , в , г показан характер регулирования: линейный, ступенчатый, 8-ступенчатый. На рис. 2.1, д стрелка дополнена условием регулирования. Стрелка с изломом на рис. 2.1, е , ж , и и надпись указывают, что параметр регулирования изменяется по определенному закону. Стрелки на рис. 2.1, к , л, м указывают на подстроечное регулирование. В верхней части стрелки возможно присутствие символа, указывающего на расположение регулирующего элемента в данном из­делии: на лицевой панели, задней панели или внутри. Символы общего применения составляют знаки, указывающие направление движения: механических перемеще­ний, магнитных, световых потоков и т. д.

Защитные изоляционные трансформаторы. . Соблюдение национальных правил безопасности должно быть продемонстрировано путем указания маркировки соответствия, которая должна предоставляться квалифицированной и признанной испытательной лабораторией. Одной из причин этого условия является изменение климатических условий в отдельных странах.

Соблюдение национальных требований безопасности может быть подтверждено «листингом» или «меткой». Маркировка или маркировка означает вопрос о теге или символе с помощью аттестованного органа сертификации, который настоящим подтверждает, что надлежащее тестирование и соответствие конкретного оборудования или системы соответствующим правилам безопасности или пригодности устройства для конкретной цели. Затем производитель может использовать этот знак или символ.

Рис. 2.1. Знаки регулирования

На рис. 2.2 показаны обозначения вращательного (рис. 2.2, а ), качательного (рис. 2.2, б ), сложного (рис. 2.2, в ) движений, направление восприятия магнитного сигнала (рис. 2.2, г ) и светового потока (рис. 2.2, д ).

а б в г д

Меры, необходимые для соблюдения национальных требований безопасности, различаются в зависимости от применения. Инспекции электрооборудования и систем проводятся на месте установки. Электротехнические изделия проверяются на все опасности, связанные с электрическими и механическими компонентами. В случае испытаний на огнеопасность оценка также включает материалы тела и изоляционные материалы. В случае клапанов испытание на разрыв давления также выполняется при пятикратном рабочем давлении. Это гарантирует, что продукты сохраняют форму, в которой они были первоначально протестированы.

Рис. 2.2. Знаки, указывающие направление движения

Составной частью символов некоторых элементов явля­ется знак, указывающий на способ управления подвижными элементами схемы. На рис. 2.3 приведены обозначения руч­ного нажатия (рис. 2.3, а ) или вытягивания (рис. 2.3, б ), поворота (рис. 2.3, в ), ножного привода (рис. 2.3, г ) и фиксации движения (рис. 2.3, д ).

В случае приборов, не предназначенных для использования в «цепях класса 2», требуется сертификация используемых кабелей. Исследовательский центр был суперконденсатором, используемым в электронике, тяге и различных отраслях промышленности в качестве дополнительного мощного источника для расширенного хранения энергии. Показаны результаты экспериментальных и симуляционных исследований. Экспериментальные исследования проводились при различных рабочих температурах для анализа влияния окружающей среды на параметры суперконденсаторов.

а б в г д

Рис. 2.3. Знаки, указывающие на способ управления

УГО элементов электрических схем выделены в группы и сведены в таблицы для лучшего восприятия. В таблицах даны рекомендуемые размеры УГО для выполнения схем радиоустройств и электротехнических изделий. При выполнении чертежей – плакатов – в курсовом и дипломном проектировании следует обратиться к литературе , в которой даны построения УГО по основным фигурам А и В, показывающим пропорциональные отношения элементов.

Суперконденсатор или ультраконденсатор — это тип электролитического конденсатора, который благодаря своей конструкции обладает чрезвычайно высокими электрическими возможностями по сравнению с обычными емкостными электролитическими конденсаторами. Наибольшее преимущество суперконденсаторов — очень короткое время хранения по сравнению с другими устройствами хранения энергии. Поэтому суперконденсаторы все чаще используются параллельно с другими источниками энергии, такими как топливные элементы, для обеспечения максимального электричества в течение короткого периода времени, что уменьшает общий размер системы.

2.2. Резисторы (ГОСТ 2.728-74)

Основное назначение резисторов – оказывать активное сопротивление в электрической цепи. Параметром резистора является активное сопротивление, которое измеряется в омах, килоомах (1000 Ом) и мегаомах (1000000 Ом).

Резисторы подразделяются на постоянные, переменные, подстроечные и нелинейные (табл. 2.1). По способу исполнения различают резисторы проволочные и непроволочные (металлопленочные).

Буквенно-цифровое позиционное обозначение резисторов состоит из латинской буквы R и порядкового номера по схеме.

Таблица 2.1

УГО резисторов

2.3. Конденсаторы (ГОСТ 2.728-74)

Конденсаторы – это радиоэлементы с сосредоточенной электрической емкостью, образуемой двумя и более электродами, разделенными диэлектриком. Различают конденсаторы постоянной емкости, переменной (регулируемые) и саморегулируемые. Конденсаторы постоянной большой емкости чаще всего оксидные и, как правило, имеют полярность подключения к электрической цепи. Емкость их измеряется в фарадах, например, 1 пФ (пикофарада) = 10 –12 Ф, 1нФ (нанофарада) = 10 -9 Ф, 1мкФ (микрофарад) = 10 -6 Ф (табл. 2.2). Буквенно-цифровое позиционное обозначение конденсаторов состоит из латинской буквы С и порядкового номера по схеме.

Таблица 2.2

УГО конденсаторов

2.4. Катушки индуктивности, дроссели и трансформаторы (ГОСТ 2.723-69)

Буквенно-цифровое позиционное обозначение катушек индуктивности и дросселей состоит из латинской буквы L и порядкового номера по схеме. При необходимости указывают и главный параметр этих изделий – индуктивность, измеряемую в генри (Гн), миллигенри (1 мГн = 10 -3 Гн) и микрогенри (1 мкГн = 10 -6 Гн). Если катушка или дроссель имеет магнитопровод, УГО дополняют его символом – штриховой или сплошной линией. Радиочастотные трансформаторы могут быть с магнитопроводами или без них и иметь обозначение L1, L2 и т. д. Трансформаторы, работающие в широкой полосе частот, обозначают буквой Т, а их обмотки – римскими цифрами (табл. 2.3).

Таблица 2.3

УГО катушек индуктивности и трансформаторов

2.5. Устройства коммутации (ГОСТ 2.755-74, ГОСТ 2.756-76)

УГО устройств коммутации – выключатели, переключатели, электромагнитные реле – построены на основе символов контактов: замыкающих, размыкающих и переключающих (табл. 2.4). Стандартом предусматри­вается в УГО таких устройств отражение конструктивных особенностей:неодновременность срабатывания контактов в группе; отсутствие (наличие) фиксации в одном из положений; способ управления коммутационным устройством; функциональное назначение.

Таблица 2.4

УГО устройств коммутации

Окончание табл. 2.4

2.6. Полупроводниковые приборы (ГОСТ 2.7З0-73)

2. 6.1. Диоды, тиристоры, оптроны

Диод – самый простой полупроводниковый прибор, обладающий односторонней проводимостью благодаря электронно-дырочному переходу
(р–n-переход, см. табл. 2.5).

Таблица 2.5

УГО полупроводниковых приборов

В УГО диодов – туннельного, обращенного и диода Шотки – введены дополнительные штрихи к катодам. Свойство обратно смещенного р–n-пе­ре­ходавести себя как электрическая емкость использовано в специальных диодах-варикапах. Более сложный полупроводниковый прибор – тиристор , имеющий, как правило, три р–n-перехода. Обычно тиристоры используются в качестве переключающих диодов. Тиристоры с выводами от крайних слоев структуры называют динисторами . Тиристоры с дополнительным третьим выводом (от внутреннего слоя структуры) называют тринисторами . УГО симметричного (двунаправленного) тринистора получают из символа симметричного динистора добавлением третьего вывода.

Большую группу составляют полупроводниковые приборы – фотодиоды , светодиоды и светодиодные индикаторы . Особо необходимо остановиться на оптронах – изделиях, основанных на совместной работе светоизлучающих и светопринимающих полупроводниковых приборов. Группа оптронов постоянно пополняется.

Большое пополнение происходит и в группе полевых транзисторов, условные графические обозначения которых пока никак не отмечены в отечественных стандартах.

2.6.2. Транзисторы

Транзисторы – полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Большую группу этих приборов соста­вляют биполярные транзисторы, имеющие два р–n-перехода: один из них соединяет базу с эмиттером (эмиттерный переход), другой – с коллектором (коллекторный переход).

Транзистор, база которого имеет проводимость типа n, обозначают формулой р–n–р, а транзистор с базой типа р имеет структуру n–р–n (табл. 2.6). Несколько эмиттерных областей имеют транзисторы, входящие в интегральные сборки. Допускается изображать транзисторы по ГОСТ 2.730-73 без символа корпуса для бескорпусных транзисторов и транзисторных матриц.

Таблица 2.6

УГО транзисторов

Окончание табл. 2.6

2.7. Электровакуумные приборы (ГОСТ 2.731-81)

Электровакуумными называют приборы, действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме. Система УГО этих приборов построена поэлементным способом. В качестве базовых элементов приняты обозначения баллона, нити накала (подогревателя), сетки, анода и др.Баллон герметичен и может быть стеклянным, металлическим, керамическим, металлокерамическим. Наличие газа в баллоне в газоразрядных приборах показывают точкой внутри символа (табл. 2.7).

Таблица 2.7

УГО электровакуумных приборов

2.8. Электроакустические приборы (ГОСТ 2.741-68*)

Электроакустическими называют приборы, преобразующие энергию звуковых или механических колебаний в электрические, и наоборот. Основ-ной буквенный код (кроме приборов сигнализации) – латинская буква В.

Таблица 2.8

УГО электроакустических приборов

2.9. Пьезоэлектрические устройства, измерительные приборы,

источники питания (ГОСТ 2.736-68, ГОСТ 2.729-68,
ГОСТ 2.742-68, ГОСТ 2.727-68)

В радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) широко используются приборы, действие которых основано на так называемом пьезоэлектрическом эффекте (piezo – давлю). Существует прямой пьезоэффект, когда возникают электрические заряды на поверхности тела, подвергнутого деформации, и обратный. Применение резонаторов в РЭА основано на использовании прямого пьезоэффекта. Буквенный код пьезоэлементов и резонаторов –латинские буквы ВQ. На основе пьезоэлектрических резонаторов изготовляют различные полосовые фильтры (буквенный код Z и ZQ). Пьезоэлементы находят широкое применение в пьезоэлектрических преобразователях (подразд. 2.8). Пьезоэлектрические преобразователи используют также в ультразвуковых линиях задержки. Стандартом не установлен буквенный код этих устройств, рекомендуется обозначать латинской буквой Е.

Для контроля электрических и неэлектрических величин в технике используют всевозможные приборы, их буквенный код – латинская буква Р, а общее УГО приборов – кружок с двумя разнонаправленными линиями – выводами.

Для автономного питания РЭА используются электрохимические источники тока – гальванические элементы и аккумуляторы (код – буква G).

Для защиты от перегрузок по току и коротких замыканий в нагрузке
в приборах с питанием от сети используют плавкие предохранители (табл. 2.9). Код таких изделий – латинская буква F.

Таблица 2.9

УГО устройств, приборов, источников питания

Окончание табл. 2.9

2.10. Электрические машины (ГОСТ 2.722-68*)

В устройствах автоматики и телемеханики, в конструкциях промышленных станков и строительно-дорожных машин для привода различных механизмов используют электрические машины. Базовое обозначение статора и ротора электродвигателя имеет форму окружности (табл. 2.10).

Таблица 2.10

Базовые элементы УГО электрических машин

ГОСТ 2.722-68* предусматривает УГО, поясняющие конструкцию электрических машин (табл. 2.11), УГО электрических машин в двух формах (табл. 2.12). Внутри окружности допускается указывать следующие надписи латинскими буквами: G – генератор; М – двигатель; В – возбудитель; ВR – тахогенератор. Разрешается также указывать род тока, число фаз, вид соединения обмоток.

Таблица 2.11

УГО, поясняющие конструкцию электрических машин (ГОСТ 2.722-68 *)

Таблица 2.12

УГО электрических машин (форма 1 и 2)

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите типы знаков общего применения на схемах.

2. Назовите буквенный код обозначения резисторов.

3. Назовите буквенный код обозначения конденсаторов.

4. Назовите буквенный код обозначения катушек индуктивности.

5. Назовите буквенный код обозначения трансформаторов промышленной частоты.

6. Назовите буквенный код обозначения реле.

7. Назовите буквенный код обозначения тиристоров.

8. Назовите буквенный код обозначения диодов.

9. Назовите буквенный код обозначения транзисторов?

10. Назовите буквенный код обозначения звонков, зуммеров и гидрофонов.

11. Назовите буквенный код обозначения аналоговых измерительных приборов.

12. Перечислите буквенные коды электрических машин.

13. Преобразуйте значение 100 нФ в микрофарады (мкФ).

Основы регулятора напряжения — Inst Tools

Перейти к содержанию

от редакции

Регулятор напряжения

Линейные стабилизаторы напряжения серии 78XX обеспечивают положительное фиксированное выходное напряжение для диапазона значений. Последние две цифры в номере детали указывают значение выходного напряжения, а первые две цифры указывают полярность напряжения (78 для положительного и 79 для отрицательного). 7812 обеспечивает регулируемый выход +12 В. Изменение выходного напряжения при заданном изменении входного напряжения называется линейным регулированием. Изменение выходного напряжения при заданном изменении тока нагрузки называется регулированием нагрузки. Эти параметры указаны в техническом описании.

Производитель рекомендует подключать конденсатор емкостью 0,33 мФ от входной клеммы к земле, а конденсатор емкостью 0,1 мФ – от выходной клеммы к земле, как показано на рисунке ниже, для предотвращения высокочастотных колебаний и повышения производительности. Вы можете подумать о том, чтобы поставить конденсатор малой емкости параллельно большому; причина в том, что большой конденсатор фильтра имеет внутреннее эквивалентное последовательное сопротивление, которое влияет на высокочастотную характеристику системы. Эффект отменяется небольшим конденсатором.

Рис.: 12V Регулируемая цепь питания

Точки напряжения в схеме:

1. Стойный вниз трансформатор: Стадии трансформатора от 230 В до 24 В AC
2. Полный волновой прямой прядильщик: 6. преобразует переменное напряжение 24 В в пульсирующее напряжение постоянного тока 24 В (включая пульсации переменного тока)
3. Конденсаторный фильтр: Удаляет пульсации переменного тока
4. Регулятор напряжения: Обеспечивает постоянный выход +12 В постоянного тока на нагрузку.

Регулятор напряжения IC

Регулятор напряжения (также называемый «регулятором») имеет только три ножки и кажется сравнительно простым устройством, но на самом деле это очень сложная интегральная схема. Регулятор преобразует переменное входное напряжение и создает постоянное «регулируемое» выходное напряжение. Регуляторы напряжения доступны с различными выходами, обычно 5 вольт, 9 вольт и 12 вольт. Первые две цифры указывают на полярность, а последние две цифры в названии указывают на выходное напряжение.

Регулятор фиксированного положительного напряжения

Этот стабилизатор на ИС обеспечивает фиксированное положительное выходное напряжение. Несмотря на то, что доступно множество типов регуляторов IC, наиболее популярными являются регуляторы IC серии 7800. Последние две цифры в номере детали указывают на постоянный ток. выходное напряжение. Например, [см. таблицу ниже], 7812 – это регулятор напряжения + 12 В, а 7805 – регулятор напряжения + 5 В. Обратите внимание, что эта серия (серия 7800) обеспечивает фиксированное регулируемое напряжение от + 5 В до + 24 В.

Регулятор фиксированного отрицательного напряжения

Этот регулятор ИС обеспечивает фиксированное отрицательное выходное напряжение. Для этой цели обычно используются регуляторы IC серии 7900. Эта серия (7900) является аналогом серии 7800 с отрицательным напряжением [см. таблицу ниже]. Обратите внимание, что серия 7900 обеспечивает фиксированное регулируемое напряжение от – 5 В до – 24 В.

Примечание: Мы заменяем микросхему регулятора напряжения требуемым выходным напряжением и полярностью в приведенной выше схеме.

Категории Electronic Basics

2023 © Воспроизведение без явного разрешения запрещено. — Курсы PLC SCADA — Сообщество инженеров

Датчики | Бесплатный полнотекстовый | 10-разрядный регулятор опорного напряжения со скоростью 300 квыб/с, свободный АЦП последовательного приближения для имплантируемых медицинских устройств с беспроводным питанием

показано на рис. 1. Обязательно наличие выпрямителя для преобразования связанной мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Даже с усовершенствованными выпрямителями, такими как реконфигурируемый резонансный регулирующий выпрямитель (R

³ выпрямитель), пульсации выпрямленного напряжения еще могут измеряться десятками мВ [1]. Для обычных АЦП последовательного приближения, применяемых в таких системах [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], необходим специальный регулятор для стабилизации опорного напряжения относительно ядра АЦП. Однако регулятор потребляет значительную мощность [2,3,4]. Кроме того, для обеспечения стабильной работы регулятора необходимы развязывающие конденсаторы емкостью несколько сотен пФ и выше [10]. Поскольку предпочтительно иметь развязывающие конденсаторы на чипах в беспроводных имплантируемых медицинских устройствах для миниатюризации системы, увеличение площади кремния и, следовательно, стоимости неизбежно.

В прошлом большинство разработок было направлено на оптимизацию мощности и площади подблоков в ядре АЦП последовательного приближения [5,6,7,8], и только несколько исследований были направлены на оптимизацию стабилизатора опорного напряжения [2]. ,3,4,11]. Было обнаружено, что с учетом потребляемой мощности регулятора опорного напряжения FOM АЦП ухудшается со 100 фДж/с до 1000 фДж/с [2] или с 25 фДж/с до 738 фДж/с [3]. В предыдущей работе [4] был предложен АЦП последовательного приближения с энергоэффективной опорной генерацией, в котором энергосбережение было реализовано за счет применения метода рабочего цикла в опорном генераторе. Однако для управления ядром АЦП необходим постоянно включенный стабилизатор с малым падением напряжения, что приводит к току покоя и напряжению падения. Мощность, рассеиваемая стабилизатором, составляет более 30% от общей мощности, потребляемой АЦП последовательного приближения. Кроме того, для стабильной работы стабилизатора необходим большой развязывающий конденсатор.

В этой статье мы представляем АЦП SAR без регулятора опорного напряжения, использующий самосинхронную предварительную зарядку для имплантируемых медицинских устройств с беспроводным питанием. Он устраняет энергоемкий регулятор опорного напряжения, чтобы снизить общее энергопотребление АЦП последовательного приближения. Кроме того, устраняется необходимость в большом развязывающем конденсаторе на кристалле, что помогает уменьшить площадь кремния. Предлагаемая конструкция обеспечивает хорошее отношение сигнал/шум в условиях колебаний напряжения питания. Принимая во внимание мощность и площадь стабилизатора опорного напряжения, предлагаемый АЦП последовательного приближения обеспечивает лучшее FOM при небольшой площади по сравнению с несколькими существующими конструкциями АЦП последовательного приближения.

2. Предлагаемый регулятор опорного напряжения без АЦП последовательного приближения

В АЦП последовательного приближения любое отклонение или ошибка в опорном напряжении приведет к отклонению оцифрованных выходных кодов от правильного значения с ошибками. Следовательно, это вносит большое количество шума и снижает SNDR АЦП. Как обсуждалось ранее, в имплантируемых медицинских устройствах с беспроводным питанием выходное напряжение выпрямителя содержит большие пульсации и не может использоваться непосредственно в качестве опорного напряжения в обычном АЦП последовательного приближения. Поэтому в типичных имплантируемых медицинских устройствах с беспроводным питанием используется специальный регулятор с развязывающим конденсатором для обеспечения стабильного опорного напряжения для зарядки конденсаторов цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), что резко увеличивает потребляемую мощность и требуемую площадь.

2.1. Архитектура системы

Чтобы устранить необходимость в стабилизаторе опорного напряжения и развязывающем конденсаторе, мы предлагаем АЦП последовательного приближения с самосинхронной предварительной зарядкой, показанный на рис. 2. Он состоит из схемы предварительной зарядки по току. , детектор заряда и 10-битный обычный АЦП последовательного приближения с разделением заряда [9], использующий асинхронную логику последовательного приближения. В старшем значащем бите (MSB) используются 32-элементные конденсаторы, а в 5 младших значащих битах (LSB) используется 1-элементный конденсатор каждый. Передний край f _с вызовет увеличение сигнала PreC для выполнения предварительной зарядки. Когда напряжение пересекает V _ref , детектор генерирует перекрестный сигнал, который снижает сигнал PreC, чтобы завершить предварительную зарядку. Кроме того, низкий логический уровень PreC установит высокий уровень логики Cross. Внутренние часы f _clk для асинхронной логики SAR генерируются компаратором [4].

В течение периода дискретизации входной сигнал дискретизируется конденсаторами дискретизации C _с . При этом конденсаторы ЦАП предварительно заряжаются от источника тока. Управляемый детектором заряда, источник тока отключается, когда заряд достигает заданного значения Q _{, заданного} , что называется самосинхронной предварительной зарядкой. В период преобразования по результатам компаратора заряд в конденсаторах ЦАП прибавляется или вычитается из C _s . Следовательно, если V _ref колеблется в периоды выборки, заряд конденсаторов ЦАП также будет колебаться. Синфазная часть изменения заряда может вызвать ошибку, но ее можно устранить калибровкой, что также происходит в обычных АЦП. Однако дифференциальная часть не является постоянной и не может быть удалена калибровкой. Это приведет к ошибке и ухудшению SNDR, если дифференциальная часть больше, чем заряд LSB (2,5 фКл в этой схеме). На рис. 3а показан процесс предварительной зарядки с различными зарядными токами (т. е. I _{ч 1} и я _{ч 2} ). На рисунке 3а мы предполагаем, что детектор заряда идеален, а время отклика равно нулю. Хотя I _{ch 1} и I _{ch 2} различны, один и тот же заряд достигается за разное время зарядки (т. е. T ₁ и T ₂ ). Однако на практике детектор заряда имеет время отклика или задержку. Для медицинских устройств с беспроводным питанием на задержку влияют колебания напряжения питания. Как показано на рис. 3б, при небольшой разнице в напряжении питания задержка составит t _d + δ/2 и t _d − δ/2 соответственно, где t _d — базовая задержка детектора заряда, а δ — разность задержек, вызванная колебаниями напряжения питания. Разница задержек вызывает разницу в заряде (т. е. ∆ _Q ), которую можно выразить как:

где ∆ _CMQ – общая часть изменения заряда, а ∆ _DQ – дифференциальная часть. Как упоминалось ранее, общая часть изменения заряда может вызвать ошибку, но ее можно устранить калибровкой, что также происходит в обычном АЦП. Однако дифференциальная часть не является постоянной и не может быть удалена калибровкой. Чтобы не влиять на производительность, дифференциальная часть ∆ _DQ должен быть меньше заряда LSB в проекте. Для схемы предварительной зарядки используется большой ток предварительной зарядки, чтобы сократить время предварительной зарядки для достижения достаточной частоты дискретизации. Однако этот больший ток более чувствителен к колебаниям напряжения питания, что приводит к большим колебаниям заряда, что показано на рисунке 3b. Это можно объяснить следующим образом. Для источника тока, показанного на рисунке 2, зарядный ток (т. е. I _ch ) может быть выражен как:

где K и V _th — параметр крутизны и пороговое напряжение PMOS соответственно. Для определения чувствительности I _ch к VDD производная I _ch получается по отношению к VDD в уравнениях (2) и (3). Это дает:

Из уравнения (4) видно, что при меньшем (VDD-V _g -V _th ) или токе I _ch чувствительность тока к VDD меньше, что приводит к меньшее изменение заряда (см. рис. 3c). Однако этот меньший ток предварительной зарядки требует более длительного времени зарядки, что ограничивает частоту дискретизации АЦП.

Для достижения достаточной частоты дискретизации при обеспечении небольшой вариации заряда (менее 1 LSB заряда) мы предложили схему предварительной зарядки с двумя фазами зарядки, которая показана на рисунке 3d. Во время первой фазы зарядки конденсаторы ЦАП быстро заряжаются большим зарядным током (т. е. I _chL ) и постоянным временем зарядки (т. е. T _c ). Во второй фазе заряда малый зарядный ток (т.е. I _чС ) используется для завершения остатка заряда и отключается при достижении зарядом заданного значения Q _набор . Благодаря использованию двухфазной схемы предварительной зарядки колебания заряда уменьшаются, а также сокращается время зарядки.

2.2. Сведения о реализации схемы

Для экономии энергопотребления используется 2-транзисторный (2T) источник опорного напряжения [12]. Собственный N-канальный металлооксид-полупроводниковый полевой транзистор (NMOS) и NMOS с высоким порогом используются для генерации V _ref с напряжением 400 мВ, что показано на рисунке 2. Значение используемого конденсатора выборки C _s составляет 3,2. пф. При максимальном размахе сигнала примерно в 800 мВ от пика до пика заряд LSB этого АЦП можно рассчитать как:

На рис. 4 показана схема детектора заряда, используемого для контроля самосинхронной предварительной зарядки. Он состоит из двух этапов. Первый каскад усиливает входные сигналы и преобразует разность напряжений между V _cap и V _ref в несимметричный выходной сигнал. Выход первой ступени активирует вторую стадию, когда V _cap пересекает V _ref . Чтобы свести к минимуму энергопотребление, первая ступень работает только во время фазы предварительной зарядки, которая происходит, когда PreC находится на активно высоком уровне. Моделирование показывает, что задержка детектора заряда изменяется от 418,3 нс до 410,8 нс при изменении напряжения питания от 0,775 В до 0,825 В [9]. 0003

Схема источника тока, используемого для предварительной зарядки, показана на рисунке 5. Опорный ток, I _ref , равен разности порогового напряжения между MN1 и MN2, деленной на значение резистора R, которое не зависит от подачи. Выходные токи I _chL и I _chS генерируются от I _ref через токовое зеркало. I _chL используется в качестве зарядного тока первой фазы и составляет около 14 мкА. я _чС используется в качестве зарядного тока второй фазы и составляет около 200 нА. Значения I _chL и I _chS определяются путем обширного моделирования с учетом как изменения заряда, так и времени предварительной зарядки. Моделирование показывает, что когда VDD больше 0,6 В, чувствительность I _chL и I _chS к VDD составляет 19 мкА/В и 36 нА/В соответственно. При меньшем токе чувствительность намного ниже, что подтвердило предыдущий анализ, представленный в разделе 2.1. Для экономии энергии и площади эталонный бета-множитель также генерирует V _bdet для усилителя первого каскада в детекторе заряда.

Моделирование также показывает, что I _chS изменяется от 203,9 нА до 205,7 нА при изменении напряжения питания от 0,775 В до 0,825 В. Используя эти значения вместе с изменением задержки детектора заряда (от 418,3 нс до 410,8 нс) , изменение заряда можно рассчитать по уравнению (1). Расчетная общая часть изменения заряда составляет 84,9 фКл. Несмотря на то, что общая часть велика, как обсуждалось ранее, она вызывает только ошибку усиления, и эту ошибку можно легко устранить с помощью калибровки. За счет реализации двухфазной схемы предварительной зарядки дифференциальная часть составляет всего 0,4 фКл, что ничтожно мало по сравнению с зарядом 1-LSB (~2,5 фКл). Моделирование показывает, что время двухфазной предварительной зарядки изменяется от 1,1 мкс до 2,3 мкс при изменении напряжения питания от 0,9V до 0,7 В. Это время предварительной зарядки достаточно мало для частоты дискретизации 300 квыб/с.

3. Результаты измерений

Предлагаемый АЦП последовательного приближения без регулятора опорного напряжения был реализован и изготовлен с использованием технологии CMOS 0,18 мкм. Микрофотография микросхемы показана на рис. 6. Core1 — предлагаемый АЦП последовательного приближения площадью 0,105 мм ² . Core2 — это обычный АЦП последовательного приближения, в котором все схемы такие же, как у Core1, за исключением того, что самосинхронные цепи предварительной зарядки не включены, а опорное напряжение напрямую поступает от внешнего источника. Core2 занимает 0,088 мм ² .

Предлагаемый АЦП SAR использует один источник питания 0,8 В. Чтобы продемонстрировать его нечувствительность к колебаниям напряжения питания, к напряжению питания добавляются синусоидальные колебания с диапазоном амплитуд 0–200 мВ _pp . Частоты синусоидальных колебаний установлены на 134,2 кГц и 13,56 МГц, которые являются широко используемыми несущими частотами в беспроводной передаче энергии [1]. На рис. 7 показан график быстрого преобразования Фурье (БПФ) с 32 768 точками для входного сигнала частотой 127,56 кГц с дискретизацией 300 кГц при синусоидальной флуктуации 50 мВ _стр. и 134,2 кГц. Соответствующее эффективное число битов (ENOB) предлагаемого АЦП последовательного приближения (т. е. Core1) и обычного АЦП последовательного приближения (т. е. Core2) составляет 8,56 бита и 5,61 бита соответственно. На рис. 8 показана зависимость SNDR от амплитуды синусоидального колебания. При увеличении амплитуды синусоидальных колебаний от 0 до 200 мВ _pp ОСШ уменьшается на 4,91 дБ и 5,05 дБ для синусоидальных колебаний 134,2 кГц и 13,56 МГц соответственно. Как показано на рисунке 9измеренная дифференциальная нелинейность (DNL) и интегральная нелинейность (INL) составляют +1,14/-0,77 LSB и +1,96/-1,92 LSB соответственно.

Измеренная общая потребляемая мощность предлагаемого АЦП последовательного приближения (т. е. Core1), включая схемы самосинхронной предварительной зарядки, составляет 2,72 мкВт при 300 кСм/с, а соответствующий FOM составляет 23,9 фДж/с-с. Если ошибка усиления откалибрована на микросхеме, FOM будет увеличен примерно на 25% из-за мощности, потребляемой умножителем (потребляемая мощность оценивается на основе ссылки [13]). В тех же условиях тестирования измеренное энергопотребление обычного АЦП последовательного приближения (т. е. Core2) составляет 2,52 мкВт. Следовательно, рассеиваемая мощность самосинхронных цепей предварительной зарядки составляет около 0,2 мкВт. Это составляет всего 7,3% от общей потребляемой мощности АЦП, в то время как стабилизатор опорного напряжения обычно потребляет не менее 30% [4] или даже в несколько раз [2,3] потребляемой мощности АЦП.

Сравнение предлагаемого АЦП последовательного приближения с другими существующими АЦП последовательного приближения, изготовленными с использованием узлов аналогичной технологии, представлено в таблице 1. При колебаниях напряжения питания 50 мВ _pp предлагаемая конструкция имеет SNDR, аналогичный другим конструкциям. Мы отметили, что потребляемая мощность ядра АЦП, указанная в ссылках [5,6,7,8], не учитывает стабилизатор опорного напряжения. Следовательно, для объективного сравнения мы представили расчетную мощность, потребляемую этими стабилизаторами опорного напряжения, в таблице 1. Ток покоя стабилизаторов оценивается по формуле регулятора FOM (т.е. FOM _рег ), который определен в [10] как:

где C _d — развязывающий конденсатор, ∆ _vout — 1 младший бит, I _Q — ток покоя стабилизатора, а I _ref — ток, используемый для зарядки конденсаторов ЦАП. Предполагая, что все конструкции имеют то же значение C _d и FOM _reg , что и в ссылке [4] (т. е. C _d /FOM _reg = 1,43 мкФ/нс), ток покоя Регулятор напряжения для каждой конструкции можно рассчитать по приведенной выше формуле. Кроме того, мы предполагаем, что падение напряжения равно 200 мВ, рассчитанное в [4]. На основе тока покоя и напряжения падения общая потребляемая мощность регулятора для каждой конструкции может быть рассчитана как:

Как показано в Таблице 1, предложенный самосинхронный АЦП последовательного приближения с предварительной зарядкой обеспечивает лучшее FOM, чем другие конструкции, если принять во внимание регулятор опорного напряжения. Включая схемы самосинхронной предварительной зарядки, площадь предлагаемой конструкции аналогична площади других конструкций без регулятора опорного напряжения. Более того, в нашей конструкции не требуется развязывающий конденсатор, что способствует дополнительному уменьшению общей площади и стоимости. Без регулятора опорного напряжения наша конструкция, наконец, достигает ENOB 8,56 бит, что достаточно для медицинских устройств [5,6,8].

4. Выводы

В этой статье предлагается АЦП последовательного приближения с самосинхронной предварительной зарядкой для устранения регулятора опорного напряжения и развязывающего конденсатора для имплантируемых медицинских устройств с беспроводным питанием, поскольку они значительно увеличивают энергопотребление и занимаемую площадь. Изготовленный с использованием 0,18-мкм КМОП-технологии, предлагаемый самосинхронный АЦП последовательного приближения с предварительной зарядкой обеспечивает отношение сигнал/шум 53,32 дБ при напряжении 0,8 В с колебаниями напряжения питания 50 мВ _pp при потреблении общей мощности 2,72 мкВт при выборке. скорость 300 кС/с. С учетом самосинхронных цепей предварительной зарядки общее FOM составляет 23,9.fJ/c-s и общей площадью 0,105 мм ² .

Вклад авторов

Концептуализация, Дж. Чжоу. и Ю. Ян; Методология, Дж. Чжоу и Ю. Ян; Валидация, Ю. Ян, Дж. Чжоу, С. Лю и В.Л. Го; Формальный анализ, Ю. Ян; Расследование, Ю. Ян; Ресурсы, С. Лю и В.Л. Го; Курирование данных, Ю. Ян; Написание — подготовка первоначального проекта, Ю. Ян; Написание-обзор и редактирование, Дж. Чжоу, С. Лю и В.Л. Го; Надзор, Дж. Чжоу, С. Лю и В.Л. Го; Администрация проекта, Дж. Чжоу, С. Лю и В.Л. Го.

Финансирование

Это исследование не получило внешнего финансирования.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Li, X.; Цуй, CY; Ки, У.Х. Система беспроводной передачи энергии 13,56 МГц с реконфигурируемым резонансным регулирующим выпрямителем и беспроводным управлением мощностью для имплантируемых медицинских устройств. IEEE J. Твердотельные схемы 2015 , 50, 978–989. [Google Scholar] [CrossRef]
2. Боргетти Ф.; Нильсен, Дж. Х.; Феррагина, В.; Малковати, П.; Андреам, П.; Баширотто, А. Программируемый АЦП последовательного приближения с частотой от 10 бит до 6 Мвыб/с, оснащенный константой FoM и встроенными буферами опорного напряжения. В материалах 32-й Европейской конференции по твердотельным схемам, Монтрё, Швейцария, 19–21 сентября 2006 г.; стр. 500–503. [Google Scholar]
3. Харикумар П.; Викнер, Дж.Дж. Разработка буфера опорного напряжения для 10-разрядного АЦП последовательного приближения со скоростью 50 Мвыб/с в 65-нм КМОП. В материалах Международного симпозиума IEEE по схемам и системам, Лиссабон, Португалия, 24–27 мая 2015 г.; стр. 249–252. [Google Scholar]
4. Лю М.; Харпе, П.; Доммель, Р. АЦП последовательного приближения, 0,8 В, 10 бит, 80 квыб/с, с генерацией эталонного сигнала с рабочим циклом. В сборнике технических документов Международной конференции по твердотельным схемам IEEE, Сан-Франциско, Калифорния, США, 22–26 февраля 2015 г. ; стр. 278–279.. [Google Scholar]
5. Хан, Д.; Чжэн, Ю .; Раджкумар, Р .; Доу, Г.С.; Дже, Массачусетс. 100-канальная микросхема нейронной записи 0,45 В с потреблением менее мкВт на канал в CMOS 0,18 мкм. В сборнике технических документов Международной конференции по твердотельным схемам IEEE 2013 г., Сан-Франциско, Калифорния, США, 17–21 февраля 2013 г.; стр. 290–291. [Google Scholar]
6. Тан, Х.; Солнце, ZC; Чу, К.В.; Siek, L. ADC, 1,33 мкВт, 8,02-ENOB, 100 квыб/с, АЦП последовательного приближения с методом снижения мощности для имплантируемого протеза сетчатки. IEEE транс. Биомед. Цепи Сист. 2014 , 8, 844–856. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
7. Sun, L.; Ли, Б.; Вонг, А .; Нг, В.Т.; Пун, К.П. АЦП SAR с рециркуляцией заряда и схемой переключения LSB-Down. IEEE транс. Цепи Сист. соц. 2015 , 62, 356–365. [Google Scholar] [CrossRef]
8. Юань, К.; Нг, К.А.; Сюй, Ю.П.; Йен, Южная Каролина; Thakor, N. V. 1-V 9.8-ENOB 100-kS/s Односторонний АЦП последовательного приближения с симметричным методом переключения ЦАП для сбора нейронных сигналов. В материалах Азиатской конференции IEEE по твердотельным схемам, Сямэнь, Китай, 9–11 ноября 2015 г.; стр. 1–4. [Google Scholar]
9. Craninckx, J.; Плас, Г.В. 65 фДж/шаг преобразования, от 0 до 50 Мвыб/с, от 0 до 0,7 мВт, 9-битный АЦП последовательного приближения с разделением заряда в 90-нм цифровой КМОП. В сборнике технических документов Международной конференции по твердотельным схемам IEEE, Сан-Франциско, Калифорния, США, 11–15 февраля 2007 г .; стр. 246–247. [Google Scholar]
10. Хазуча, П.; Карник, Т .; Блохель, BA; Парсонс, К.; Финан, Д.; Боркар, С. Эффективный по площади линейный регулятор со сверхбыстрым регулированием нагрузки. IEEE J. Твердотельные схемы 2005 , 40, 933–940. [Google Scholar] [CrossRef]
11. Лю М.; Рермунд, А .; Harpe, P. АЦП последовательного приближения 10 b 20 Мвыб/с с маломощным и компактным опорным ЦАП с компенсацией. В материалах конференции IEEE European Solid-State Circuits Conference, Лёвен, Бельгия, 11–14 сентября 2017 г.; стр. 231–234. [Google Scholar]
12. Сок М.; Ким, Г.; Блау, Д.; Сильвестр, Д. Портативный 2-транзисторный источник опорного напряжения с температурной компенсацией в пиковатте, работающий при напряжении 0,5 В. IEEE J. Твердотельные схемы 2012 , 47, 933–940. [Google Scholar] [CrossRef]
13. Yan, J.; Чен, З. Недорогой маломощный умножитель на основе обхода. В материалах Международного симпозиума IEEE по схемам и системам, Париж, Франция, 30 мая – 2 июня 2010 г .; стр. 2338–2341. [Google Scholar]

Рисунок 1. Блок-схема типичного беспроводного имплантируемого медицинского устройства.

Рисунок 1. Блок-схема типичного беспроводного имплантируемого медицинского устройства.

Рисунок 2. ( a ) Архитектура и ( b ) временная диаграмма предлагаемого АЦП SAR без регулятора опорного напряжения с самосинхронной предварительной зарядкой.

Рисунок 2. ( a ) Архитектура и ( b ) временная диаграмма предлагаемого АЦП SAR без регулятора опорного напряжения с самосинхронной предварительной зарядкой.

Рисунок 3. Самосинхронная предварительная зарядка ( a ) идеальный детектор; ( b ) неидеальный детектор, использующий одну фазу предварительной зарядки с большим током; ( c ) неидеальный детектор, использующий одну фазу предварительной зарядки с малым током; и ( d ) неидеальный детектор, использующий две фазы предварительной зарядки.

Рисунок 3. Самосинхронная предварительная зарядка ( a ) идеальный детектор; ( b ) неидеальный детектор, использующий одну фазу предварительной зарядки с большим током; ( c ) неидеальный детектор, использующий одну фазу предварительной зарядки с малым током; и ( d ) неидеальный детектор, использующий две фазы предварительной зарядки.

Рисунок 4. Схема предлагаемого детектора заряда.

Рисунок 4. Схема предлагаемого детектора заряда.

Рисунок 5. Схема источника тока, используемого для самосинхронной предварительной зарядки.

Рисунок 5. Схема источника тока, используемого для самосинхронной предварительной зарядки.

Рисунок 6. Фотография двух АЦП последовательного приближения, где Core1 — это предлагаемая конструкция, а Core2 — обычная конструкция.

Рисунок 6. Фотография двух АЦП последовательного приближения, где Core1 — это предлагаемая конструкция, а Core2 — обычная конструкция.

Рисунок 7. Измеренный выходной спектр при частоте 300 квыб/с при синусоидальных колебаниях 50 мВ _pp и 134,2 кГц добавляется к источнику питания 0,8 В ( a ) предлагаемого АЦП SAR (т. е. Core1) и ( b ) обычный АЦП последовательного приближения (например, Core2).

Рис. 7. Измеренный выходной спектр, работающий на скорости 300 кСм/с при синусоидальных колебаниях 50 мВ _pp и 134,2 кГц добавляется к источнику питания 0,8 В ( a ) предлагаемого АЦП последовательного приближения (т. е. Core1) и ( b ) обычного АЦП последовательного приближения (т. е. Core2).

Рисунок 8. SNDR в зависимости от амплитуды синусоидальных колебаний, добавленных к источнику питания 0,8 В.

Рис. 8. SNDR в зависимости от амплитуды синусоидальных колебаний, добавленных к источнику питания 0,8 В.

Рисунок 9. Измеренные ( a ) DNL и ( b ) INL предлагаемого АЦП при добавлении синусоидального колебания 50 мВ _pp к источнику питания 0,8 В.

Рис. 9. Измеренные ( a ) DNL и ( b ) INL предлагаемого АЦП при синусоидальной флуктуации 50 мВ _pp добавляются к источнику питания 0,8 В.

Таблица 1. Сравнение производительности.

Таблица 1. Сравнение производительности.

6,9 0, STP-time *

-time для самозарядки ** Потребляемая мощность стабилизаторов опорного напряжения, необходимых в ссылках [5,6,7,8], оценивается на основе регулятора, используемого в ссылке [4], в предположении, что они имеют один и тот же регулятор FOM 9.

	[5]	[6]	[7]	[8]	Эта работа
Тех. (µm)	0.18	0.18	0.13	0.18	0.18
Area (mm 2 )	—	0.151 (w/o Reg.)	0.872 (w/o Reg .)	0,118 (без рег.)	0,088 (с STP *) 0,105 (с STP)
Питание (В)	0,45	0.5/1	1	0.8
Resolution	9	9	10	10	10
fs (kS/s)	200	100	1100	100	300
SNDR (dB)	51. 54	50.1	54.6	58.83	53.32 w/50 mV pp Ripple
Power w/o V ref Reg. (мкВт)	1,35	1,33	15,6	1,72	2,52 без STP
FOM без V рег. (fJ/c-s)	22.0	51.3	31.8	24.1	22.1 w/o STP
I ref (µA)	0. 73	0.69	8.4	0.42	—
∆ vout (мВ)	0,87	1,75	1,95	0.97	—
I Q (µA)	0.87	0.38	51.84	0.25	—
V dropout (mV)	200	200	200	200	—
P Vref Рег. (мкВт) **	0,54	0,49	53,5	0,34	0
Мощность Вт/В № Рег. (мкВт)	1,89	1,81	69,1	2,06	2,72 с STP
Рег. 7 с V 9008 (fJ/c-s)	30,8	70,1	140,9	28,7	23,9 с STP