电容电荷分配电路

电容电荷分配电路已在许多实用电路中出现，常见的倍压整流电路就是一例。由于它常用来构成阶梯波发生器或频率计，因此也称它为阶梯波电路或频率计电路。另外，也有称它为泵电路或电荷泵的。

上述这些电路有它们的共同点，其一，都有两个电容；其二，两个电容之间通过开关联接，时通时断，当开关接通时，它们的电荷重新分配。因此，这类电路称电容电荷分配电路为好。下面就基本的电容电荷分配电路及其应用作一介绍。

图1a是最基本的二极管电容电荷分配电路，其输入输出波形时间关系见图1b。若二极管为理想开关，当输入信号下降到-V\(_{in}\)时，D1导通，C\(_{1}\)按实线箭头方向被充电到Vin伏。当输入信号回跳到零伏时，因C\(_{1}\)右端为+Vin伏电平，D\(_{2}\)导通，C1上的电荷C\(_{1}\)Vin按虚线箭头方向通过D\(_{2}\)流向C2，直至C\(_{1}\)右端与C2上端电子相等时，电荷停止流动。此时，C\(_{1}\)上原来的电荷就按C1、C\(_{2}\)的容量大小进行分配，其输出电压为

第二个跳变周期，输入下降到-V\(_{in}\)伏时，C1两端电压又充到V\(_{in}\)伏，待方波由-Vin伏回跳到零伏时，D\(_{2}\)导通，C1上的电荷与C\(_{2}\)第一次获得的电荷C2V\(_{out1}\)再次重新分配。这样重复下去，直到跳变n次，则有

由式（2）可以看出，当n较小而C\(_{1}\)《C2时，阶梯的台阶比较均匀，但幅度小；当n→∞时，V\(_{outn}\)就接近Vin伏了。

在图1的C\(_{2}\)上并上一个电阻R，就变成了频率电压（F／V）变换电路。其输出的平均电压为

二极管电容电荷分配电路，要得到好的线性，输出电压必须远小于输入信号跳变电压的幅值，这就大大限制了它的应用范围。为了克服这一缺点，发展了两类线性的电容电荷分配电路。

图3a、3b分别给出了用晶体三极管及运算放大器的∑点将电容C\(_{1}\)、C2进行隔离的电路。在图3a中，忽略了二极管与三极管eb结的正向压降。当输入负跳变时，C\(_{1}\)充上Vin伏电荷，而输入回跳到零伏时，三极管导通，C\(_{1}\)上的全部电荷都分配（即转移）到C2上去。因此，输入信号每跳变一周期，输出电压就增加V\(_{in}\)· C1/C\(_{2}\)伏，其输出为Voutn=n\(\frac{C}{_{1}}\)C2V\(_{in}\)（5）由此可见，Vout是随输入信号跳变周期次数n的增加而线性升高。原理上可无限增长，实际上要受电源电压的限制。

在图3b电路的C\(_{2}\)上并联一个电阻R，就构成F／V变换器。其输出电压的平均值为Voutcp=V\(_{in}\)C1Rf（6），输出电压的脉动值为V\(_{r}\)=C1C\(_{2}\)Vin（7），式（6）说明了隔离型电容电荷分配电路构成的F／V变换器是线性的；而式（7）可以看出其输出脉动值在整个动态范围内是恒定的。加大C\(_{2}\)可以减小脉动，但电路的时间常数RC2将加大，因而C\(_{2}\)要折中选取。

在讨论基本电容电荷分配电路时，已知它可作为阶梯波发生器和F／V变换器来应用，而且它还可用于倍压整流、分频器、频率加减、电容测量等电路。下面仅以频率加减电路为例加以简要说明。

图9是F／V式的加减电路。当图中的C\(_{1}\)等于C′1时，输出电压V\(_{outa}\)正比于输入脉冲频率f1与f\(_{2}\)之和；输出电压Voutb正比于输入脉冲频率f\(_{1}\)与f2之差。即

在前面的叙述中，假定电子元器件的参数都是理想的，而实际则不然。下面就元器件的非理想性对电容电荷分配电路的影响作一些简要的说明。

1．在理想状态，输入方波的上升下降沿是瞬时的，而电容充放电的时间常数为零。实际上电容充放电的时间常数不可能为零，因此要求方波高低电平停留的时间应足以保证电容充放电的过程结束。

2．二极管和三极管的导通压降不能忽略，其漏电流也会引起误差。例如图1中有效输入信号电压幅值应为V\(_{in}\)′=Vin－V\(_{D1}\)-VD2，V\(_{D1}\)与VD2为二极管D\(_{1}\)与D2的导通压降。这时还要考虑随温度变化的影响。

3．在使用运放的电容电荷分配电路中，对运放的各种性能也要加以考虑。例如，输入正偏置电流I\(_{b}\)将使输出产生正的误差；运放的频带窄，输出电流大小有限，难以给出快速大幅度的跳变量等。（唐坚卓）