Измеритель емкости с точностью до пикофарада на базе CMOS инверторов

Инверторы в CMOS CD4069 можно использовать как в аналоговых, так и в цифровых устройствах. Данные проект иллюстрирует применение всех шести инверторов в корпусе ИС 4069 для изготовления измерителя емкости с контуром обратной связи, циклическим режимом и отклонением на полную шкалу, с делением около одного пикофорада.

Инверторы демонстрируют стабильность выхода при соединении с обратной связью: когда вход одного логического элемента напрямую соединен с выходом, результирующий выход имеет значение близкое к пороговому напряжению V_T. Если резистор R подсоединен между входом и землей, тогда ток равняется ~V_T/R, как показано на Рисунке 1B. Его амплитуда остается практически неизменной, даже когда резистор – небольшой по сравнению с R – введен в контур обратной связи. Диапазон напряжения ΔV_T, приблизительно равный пороговому напряжению V_T, которое изменяет выход логического элемента с логического -0 на логическую -1, очень мал по сравнению с самим напряжением V_T. Это означает, что напряжение через резистор R останется в пределах V_T±ΔV_T/2, достигая приблизительно постоянный ток через него (поскольку выходное напряжение может иметь значение вплоть до V_DD, то напряжение может быть снижено до величины V_DD-V_T через резистор обратной связи). Следовательно, контур обратной связи является источником постоянного тока.

Конденсатор в данном контуре обратной связи может заряжаться с постоянной интенсивностью, обеспечивая подъем до линейно изменяемого напряжения. Этот метод применяется в схеме, указанной на Рисунке 1A для изготовления измерителя емкости с точностью до пикофарада и отклонением на полную шкалу. Измеритель состоит из двух-автоколебательных контуров (G1, G2), одного генератора линейно изменяющегося напряжения (G3), чья крутизна характеристики зависит от тестового конденсатора C_X, одного детектора уровня напряжения (G4), и двух буферов (G5, G6), которые управляют измерителем через калибровочный резистор R_cal.

Рисунок 1 (A) Измеритель емкости с отклонением на полную шкалу диапазоном 2.5пФ-250пФ, использующий все шесть инверторов CD4069.

Рисунок 1 (B) Источник постоянного тока с одним логическим элементом.

Показания вследствие наличия паразитной емкости можно обнулить посредством регулировки циклического режима автоколебательного контура с помощью потенциометра 10kΩ (set-zero). Автоколебательный контур управляет генератором линейно изменяющегося напряжения через изолирующий диод D1, который служит для быстрого разряда C_X, но также обеспечивает заряд только через резистор генератора (20MΩ/2MΩ/200kΩ). Обратно смещенный диод имеет эффективное сопротивление в 10⁹ степени Ω, и поэтому намного больше, чем резистор величиной 20MΩ.

Инверсный выход автоколебательного контура управляет G6, чей выход управляет в свою очередь одним из выводов измерителя. Логический элемент G4 работает как датчик уровня для генератора линейно изменяющегося напряжения через делитель схемы R1/R2 (при необходимости номиналы резисторов можно увеличить). Выход G4 буферизируется с помощью G5, чей выход управляет другим выводом измерителя. Генератор линейно изменяющегося напряжения эффективно вводит задержку в понижающем выходе автоколебательного контура, прямо пропорционально величине C_X. Данная задержка создает разность потенциалов через измеритель для части цикла, в результате отображая величину C_X. RC фильтр может понадобиться, если необходимо управлять цифровым измерителем.

Высокий импеданс входов CMOS – это еще одна важная характеристика, которая обеспечивает работоспособность данного устройства, что позволяет установить большие резисторы номиналом 20MΩ или более параллельно его входу. Эта простая цепь использует только один инверторный элемент 4069, что обеспечивает создание полноценного и надежного измерителя емкости.

Рисунок 2  (A) 50% сигнал циклического режима, поданный на измеритель через два логических элемента, сдвинут по фазе на 180°. Средняя разница равна нулю, следовательно, измеритель не демонстрирует отклонение.

(B) Паразитная емкость компенсирует сигнал от автоколебательного контура (G5_IN, G6_IN), a и b фазы производят равное и противоположное отклонение в измерителе, вызывая нулевое отклонение схемы. Однако задержка вдоль линии генератора линейно изменяющегося напряжения заставляет один из сигналов иметь смещение для отрезка времени (c'- нулевая фаза). Во время этой нулевой фазы (c') разность потенциалов схемы через измеритель равна нулю, поэтому отсутствует отклонение. В общем, во время всего периода времени измеритель имеет нулевое алгебраическое отклонение схемы. Следует отметить, что компенсация паразитной емкости обеспечивается регулировкой циклического режима автоколебательного контура, который представлен колебательным сигналом красного цвета на рисунке выше.

(C) Колебательные сигналы через измеритель, когда необходимо измерить внешний конденсатор C_X, подаются в схему генератора линейно изменяющегося напряжения. Это вызывает дополнительную задержку, создавая ассиметричные отклоняющие моменты в измерителе, фаза a теперь длится относительно дольше по сравнению с фазой b на величину d', которая пропорциональна величине конденсатора C_X. Поэтому для одного автоколебательного периода (T) остаточное алгебраическое отклонение в измерителе теперь имеет продолжительность d(=d'). Среднее значение отклонения, наблюдаемое в измерителе, теперь зависит от величины d/T, которая в свою очередь измеряет величину тестового конденсатора.

Рисунок 3 Еще одним применением интегрированного источника постоянного тока является реализация ШИМ с помощью двух логических элементов. Напряжение V_in создает падение напряжения на резисторе 100kΩ, которое генератор линейно изменяющегося напряжения должен превысить, чтобы переключить выходной логический элемент. При необходимости смещение порогового напряжения V_T может быть выполнено посредством использования еще одного логического элемента, в котором выход соединен с входом.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Оригинал статьи

Теги:

• Перевод
• Измеритель емкости