Пассивные компоненты тоже совершенствуются


PDF версия

Количество новых разработок активных схем настолько велико, что складывается впечатление, будто об основных пассивных компонентах напрочь забыли. Если размеры микросхем непрерывно уменьшаются, современные резисторы, конденсаторы и дроссели, по сути, мало чем отличаются от своих предшественников времен Ома, Фарадея и Генри.

Однако некоторым инженерам не дают покоя мысли об усовершенствовании базовых компонентов электронных цепей, в т.ч. желание радикальным образом изменить представление о современных проектах.
Ионисторы для коммерческого применения являются примером успешной реализации прорывной технологии. Действительно, конденсаторы по-прежнему остаются сферой, наиболее богатой на инновационные решения. В первую очередь, это относится к ионисторам на основе углеродных нанотрубок. Комбинации логометрических резисторов обеспечивают более высокую инструментальную точность. Трансформаторы также совершенствуются.

Ионисторы

Ионисторами, суперконденсаторами или ультраконденсаторами чаще всего называют конденсаторы с двойным электрическим слоем. Величина их емкости намного порядков превышает емкость стандартных конденсаторов.
Например, емкость некоторых суперконденсаторов с радиальными выводами составляет 5…10 Ф при напряжении 2,5 В. Емкость конденсаторов размером с батарею фонарика достигает 120…150 Ф при 5 В, а конденсаторов большего размера — 650…3000 Ф при 2,7 В. Конденсаторы заключаются в модули емкостью 20…500 Ф при номинальном напряжении 15…390 В. Соединенные последовательно или параллельно, такие компоненты превосходят батареи по накоплению энергии и ее разрядке.
Прежде чем мы рассмотрим устройство суперконденсаторов, давайте сравним их с батареями по такому параметру как плотность энергии и плотность мощности. Иногда говорят, что батареи накапливают энергию, а суперконденсаторы накапливают мощность. Такие представления неверны, т.к. оба устройства запасают энергию.
Для сравнения таких параметров батарей и конденсаторов как плотность энергии и плотность мощности удобно воспользоваться логарифмической пузырьковой диаграммой (см. рис. 1). Диагональные линии соответствуют постоянной скорости разряда. В линейном масштабе разброс между указанными параметрами гораздо больше, чем он выглядит на рисунке.

Рис. 1. Пузырьковая диаграмма для сравнения батарей и конденсаторов

Очевидно, оба устройства запасают энергию, однако неверно сравнивать батареи с конденсаторами по их емкостям. Чтобы лучше понять возможности батарей и суперконденсаторов, в качестве наглядных примеров их соответствующих применений можно привести спортивный электромобиль марки Tesla Roadster и городские автобусы на базе электропривода.
Собственная масса полностью заправленного и оборудованного электромобиля Tesla составляет всего 1140 кг. По-настоящему спортивным этот автомобиль делает пушечное ускорение, которое возникает благодаря большому крутящему моменту электродвигателя, обеспечиваемому в широком диапазоне оборотов. Мощное ускорение гарантировано не только при старте с места, но и практически на любой скорости. С другой стороны, тяжелому автобусу весом около 10560 кг требуется значительно меньшее ускорение, чтобы разогнаться и ехать в режиме чередующихся движения и остановки.
Из-за этих различий в качестве источника питания двигателя автобуса используется конденсаторная батарея, энергия которой преобразуется в крутящий момент для создания кратковременного ускорения (см. диагональные линии на рис. 1). Однако на горизонтальном участке пути перемещение тяжелого автобуса поддерживается за счет батареи. Для подъема в горку разряд батареи ультраконденсаторов помогает аккумулятору автобуса поддержать требуемую скорость.

Принцип строения ионисторов

Строение ультраконденсаторов такое же, что и у стандартных конденсаторов, которые накапливают заряд между двумя электродами. В отличие от обычных электролитов, электроды ионисторов не состоят из тонких слоев металлической фольги. Функцию обкладок в суперконденсаторах выполняет двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. За счет того, что толщина этого слоя очень мала, запасенная ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же использование двойного электрического слоя (слоя Гельмгольца) вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода.
Принцип накопления заряда в ультраконденсаторах схож с механизмом накопления энергии в стандартных электролитических конденсаторах. Алюминиевая фольга, образующая одну из обкладок электролитического конденсатора, подвергается анодному окислению с образованием изолирующей пленки на поверхности. Этот тонкий изолирующий слой формирует диэлектрик конденсатора. В качестве второй обкладки конденсатора используется пропитанная бумага либо гель, который обеспечивает хороший контакт с окисленной поверхностью первой обкладки. Электролит не является идеальным проводником электрического тока, поэтому для обеспечения низкоомного контакта используется алюминиевая фольга, расположенная поверх электролита.
Приложенное между анодом и катодом электролитического конденсатора напряжение вынуждает противоположно заряженные ионы собираться на двух обкладках конденсатора. Этот процесс продолжается до тех пор, пока их заряд не компенсирует избыточный заряд на поверхностях электродов.
Емкость слоя Гельмгольца зависит от площади электрода и размера ионов в растворе. Расстояние между зарядами двойного слоя ионистора составляет 0,3—0,5 нм, тогда как в электролитических конденсаторах оно равно 10—100 нм (и около 1000 нм в слюдяных или полистироловых конденсаторах). Это значит, что емкость, приходящаяся на 1 кв. см площади ультраконденсатора, в 104 раза больше, чем у электролитического компонента.
Однако двойной слой уменьшает возможную емкость реального устройства, поскольку ультраконденсатор состоит из пары электродов. Кроме того, ультраконденсатор представляет собой два последовательно соединенных конденсатора, а это значит, что суммарная емкость целого устройства снижается вдвое.

Другие различия

На рисунке 1 наглядно видно различие между ультраконденсаторами и батареями, однако существуют и другие отличия. К их числу относятся следующие.
– Характеристики батареи зависят от постоянных времени химических реакций. Зарядка батареи — относительно медленный процесс, а оптимальный профиль ее зарядки носит нелинейный характер. Напротив, конденсаторы заряжаются и разряжаются по хорошо известному экспоненциальному закону в соответствии с постоянной времени RC.
– Батареи обеспечивают сравнительно постоянное напряжение в течение продолжительного времени. Конденсаторы разряжаются быстро, и их выходное напряжение уменьшается экспоненциально.
– Батарея служит в течение ограниченного числа циклов зарядки и разрядки, что зависит от того, насколько глубоко она разряжалась. Количество циклов зарядки и разрядки конденсаторов, особенно ионисторов, составляет десятки миллионов (в отличие от электролитических конденсаторов, количество циклов ионисторов не ограничено).
– Батареи, как правило, имеют большие размеры и вес. Конденсаторы компактны и мало весят.

Проектирование с использованием ионисторов

Сочетание ионисторов, батарей и внешних источников энергии обеспечивает уникальное конструктивное решение. Разработчик должен соединить эти компоненты таким образом, чтобы ограничить зарядный ток и обеспечить перезарядку конденсатора между периодами его работы на нагрузку.
Одним из решений является использование импульсного понижающего DC/DC-стабилизатора для зарядки конденсатора. При этом используется механизм обратной связи по напряжению для определения того, когда завершится процесс зарядки. Напротив, при разрядке применяется повышающий DC/DC-преобразователь, поддерживающий выходное напряжение конденсатора на постоянном уровне.
Эти методы составляют основу решения поставленной задачи, а различия в приложениях появляются при реализации дополнительных схем контроля и управления.

Обмоточные и безобмоточные трансформаторы

В качестве согласующих трансформаторов можно использовать обмоточные трансформаторы или набирать согласующее устройство из проводников печатной платы. Однако трансформатор BD0205F5050A00 компании Anaren заменяет обмоточные согласующие трансформаторы новыми полосковыми преобразователями.
Полосковый трансформатор с согласованием импеданса для соединения несбалансированных 50-Ом линий с 50-Ом сбалансированными линиями устанавливается в последнем каскаде драйвера высокоскоростного АЦП. У трансформатора BD0205F5050A00 (см. рис. 2) — лучшие рабочие параметры, чем у обмоточного аналога. Кроме того, BD0205F5050A00 занимает очень малую площадь на плате.
В этом приложении согласующий трансформатор должен обеспечить преобразование импеданса и несимметричного сигнала источника в дифференциальный сигнал на входе АЦП. В высококачественных АЦП дифференциальные входы используются для подавления четных гармоник наряду с фоновым шумом и от источника питания, которые ухудшают такие характеристики АЦП как SFDR (spurious-free dynamic range — динамический диапазон без паразитных составляющих), отношение сигнала к шуму (Signal-to-Noise Ratio, SNR) и полный коэффициент гармоник (Total Harmonic Distortion, THD).
В настоящее время согласующие трансформаторы применяются в базовых станциях беспроводных сетей и в высокоскоростных контрольно-измерительных приборах (КИП), которые обеспечивают большое разрешение очень высоких промежуточных частот (ПЧ) и сигналов в полосе частот более 100 МГц. В таких КИП используются преобразователи данных со скоростью выше 200 Мвыб./с и с разрешением 12—16 бит.

Рис. 2. Низкопрофильный миниатюрный согласующий трансформатор компании Anaren используется как переходное устройство между несимметричным и дифференциальным входом АЦП, на который поступают сигналы частотой 200–500 МГц. Малое искажение за счет полосковой конструкции трансформатора обеспечивает в два раза лучшее ослабление синфазных сигналов, чем обмоточные согласующие трансформаторы

До анонса этих устройств компанией Anaren разработчики использовали обмоточные трансформаторы, паразитные эффекты и потери в которых препятствуют дискретизации на более высоких ПЧ.
Амплитудный и фазовый дисбаланс — два наиболее критичных параметра, определяющих качество согласующего трансформатора. Фазовый дисбаланс, переходящий в искажения на четных гармониках (преимущественно на второй) на входе преобразователя, — особенно важная характеристика.
Другим преимуществом неферритового трансформатора является его нечувствительность к вариациям дифференциальных импедансов в широкой полосе частот, которые, как правило, возникают при использовании безбуферных АЦП. Входной импеданс этих преобразователей изменяется, когда вход АЦП переключается между функциями дискретизации и удержания.


Саморегулирующиеся резисторы

Что если для совершенствования дискретных резисторов позаимствовать некоторые принципы создания интегральных схем, где соотношение между величинами сопротивлений контролируется с высокой точностью? Посмотрим, что удалось сделать в этом направлении компании Microbridge Technology.
Инженеры этой компании создали т.н. «реджасторы» (eTC Rejustor) — пассивные микрорезисторы, регулируемые электронным способом. Для сохранения параметров им не требуется источник питания, поскольку эти характеристики многократно меняются в ту или иную сторону с помощью только электрических сигналов, а также настраиваются с высокой точностью.
Регулирование параметров производится при низком напряжении и токе до или после корпусирования, и этот порядок имеет значение. В отличие от лазерной подгонки резисторов, параметры новых корпусированных устройств увеличиваются или уменьшаются, что невозможно сделать с помощью известного лазерного метода.
Реджасторы производятся на базе стандартного КМОП-процесса. Они термоизолированы и характеризуются малой теплоемкостью. Настройка выполняется путем повторного отжига резистивного элемента, который с каждым циклом меняет свои параметры на незначительную величину. Для формирования реджастора требуются два элемента — многослойный резистор и рядом — мощный резистор, тепло от которого выполняет регулирующую функцию.
Примечательно, что сопротивление такого резистора и температурный коэффициент (ТК) настраиваются независимо друг от друга. В отличие от стандартных компонентов с регулируемым TК, новые резисторы не требуют использования датчика температуры, поскольку реджастор, по сути, таковым и является. Кроме того, он представляет собой устройство для настройки.
Применение таких компонентов упрощает ряд досадных проблем, с которыми сталкиваются разработчики аналоговых схем. Например, напряжение смещения усилителя и уход температурного коэффициента компенсируются в аналоговой области непосредственно у источника смещения. При этом не требуются таблица соответствий, АЦП или ЦАП.
На рисунке 3 показано, как воспользоваться резистивным делителем eTC, если известна зависимость ухода его температурного коэффициента от напряжения смещения делителя. Отклонение выходного напряжения делителя VIN∙(R1/(R1+R2)) выражается в мВ/В. Температурный коэффициент смещения выходного напряжения делителя измеряется как мкВ/(В∙К).
Программное обеспечение Microbridge для настройки eTC позволяет измерить действительное значение ТК и погрешности смещения, выбрать требуемое напряжение смещения делителя и смещение ТК в параллелограмме на рисунке 3 и пошагово установить заданную величину.
Предположим, что до коррекции рабочий параметр делителя определялся указанной на рисунке 3 точкой. В этом случае выходное напряжение делителя на 5% (50 мВ/В) ниже идеальной величины, а отклонение температурного коэффициента составляет 75 мкВ/(В∙K). С помощью программно-аппаратных средств Microbridge указанная точка перемещается к центру диаграммы быстрее, чем можно прочесть это предложение.

Рис. 3. Типовая характеристика температурного коэффициента смещения делителя напряжения eTC компании Microbridge. Уход ТК и смещение напряжения компенсируются в пределах указанной области внутрисхемно

Изначально Microbridge намеревалась специализироваться на выпуске описанных реджасторов, однако рынок диктует спрос на продукцию, ориентированную, в первую очередь, на конкретные приложения. В результате компании пришлось заняться поставками датчиков давления и потока газа. Просто Microbridge опередила свое время.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *