Schaltungstechnik

18 Anwendungen

Prof. Dr. Jörg Vollrath

17 Schaltregler

Video der 18. Vorlesung 1.6.2021

Länge: 1:22:04

0:1:22 Continous conduction mode CCM

0:2:25 Discontinuos conduction mode DCM

0:12:13 Duty cycle und Ausgnagsspannung für DCM

0:14:25 Beispiel:Simulation und Rechnung

0:16:55 Gegebene Werte und Minimalstrom

0:19:55 Duty cycle, Welligkeit dUa

0:21:55 33 mA da dies die maximale Stromänderung ist

0:24:25 Vergleich mit der Simulation

0:26:55 Welligkeit 3 mV

0:27:55 Strommittelwert links click label

0:29:35 Wirkungsgrad 93%

0:33:25 Simulation LT3570

0:35:55 Leistungsbilanz Ua * Ia = n(eta) (Ue * Ie)

0:38:55 Versuch Spannungsversorgung, Längsregler

0:42:35 Referenzspannungsquelle

0:43:25 Power efficiency

0:46:35 Dynamisches Verhalten

0:47:35 Schaltregler, Verbindungen, Jumper, Messpunkte

0:52:25 Loadregulation mit Lasttransistor

0:53:25 LISN

0:57:55 Versuchsaufbau

1:0:19 Charge pump Erläuterung Funktionsweise

1:5:42 Simulation und mehrere Stufen

1:7:45 Schaltungsaufbau und Messung

1:14:33 Differentieller Verstärker

1:16:35 Gleichung mit Spannung Vx

1:20:37 Aufgabe: EKG Schaltung

Übersicht

Schaltregler

Ausgangsspannung und DCM
Wirkungsgrad: LTSPICE (BuckSimple.asc) falsche Diode
(LT3570.asc) Reglerbeispiel, 1 Ohm bei der Eingangsspannung verringert die Ausgangsspannungen
Idealer Wirkungsgrad: Uin * In = Uout * Iout
Versuch 3:
Referenzspannungsquelle: TL431
LiR, LoR, Wirkungsgrad η
LISN und EMV
Geschaltete Last
Charge Pump
4.10 - 4.13 Differential Amplifier
4.14 EKG

Unit 4, 10-14

Ladungspumpe, Pelliconi Charge pump,

MOS Transistor als Schalter: X1, X2, X3, X4
Ladungsspeicher C1, C2
Start: Alle Knoten 0 V.
Phase(1): Phi1 high (VDD), Phi2 low

M1:off, M9:on
M2:on, M8:off
In is charging C2: VDD
Out is connected to C1: VDD

Phase(2): Phi1 low, Phi2 high (VDD)

M1:on, M9:off
M2:off, M8:on
In is charging C1: VDD
Out is connected to C2: 2 VDD

C1,C2: 10 uF
C3: 1 uF

Charge.asc

Version 4
SHEET 1 2324 680
WIRE 1072 16 1072 0
WIRE 1008 32 944 32
WIRE 944 48 944 32
WIRE 1264 64 1184 64
WIRE 960 96 928 96
WIRE 1008 96 1008 32
WIRE 1072 96 1072 80
WIRE 1072 96 1056 96
WIRE 1136 96 1072 96
WIRE 1184 96 1184 64
WIRE 1264 96 1264 64
WIRE 1264 96 1232 96
WIRE 1040 160 1040 144
WIRE 1104 160 1040 160
WIRE 1216 160 1216 144
WIRE 1216 160 1104 160
WIRE 928 176 928 96
WIRE 928 176 896 176
WIRE 1264 176 1264 96
WIRE 1312 176 1264 176
WIRE 1392 176 1312 176
WIRE 1008 208 976 208
WIRE 1072 208 1072 96
WIRE 1072 208 1008 208
WIRE 1152 208 1072 208
WIRE 1312 208 1312 176
WIRE 1408 208 1312 208
WIRE 976 224 976 208
WIRE 1152 224 1152 208
WIRE 1408 224 1408 208
WIRE 928 272 928 176
WIRE 960 272 928 272
WIRE 1104 272 1104 160
WIRE 1104 272 1056 272
WIRE 1136 272 1104 272
WIRE 1264 272 1264 176
WIRE 1264 272 1232 272
WIRE 1104 304 1104 272
WIRE 1312 304 1312 288
WIRE 1408 304 1408 288
WIRE 1408 304 1312 304
WIRE 1184 320 1184 272
WIRE 1264 320 1264 272
WIRE 1264 320 1184 320
WIRE 1312 320 1312 304
WIRE 1008 336 1008 272
WIRE 1104 400 1104 368
FLAG 1008 336 0
FLAG 944 48 0
FLAG 896 176 In
IOPIN 896 176 In
FLAG 1392 176 Out
IOPIN 1392 176 Out
FLAG 1072 0 Phi1
IOPIN 1072 0 In
FLAG 1104 400 Phi2
IOPIN 1104 400 In
FLAG 1312 320 0
FLAG 1104 160 G2
FLAG 1008 208 G1
SYMBOL nmos4 1056 224 R90
WINDOW 3 83 72 Left 2
SYMATTR Value CD4007N
SYMATTR InstName M2
SYMBOL nmos4 960 144 R270
WINDOW 3 83 72 Left 2
SYMATTR Value CD4007N
SYMATTR InstName M1
SYMBOL pmos4 1232 224 R90
WINDOW 3 56 73 Left 2
SYMATTR Value CD4007P
SYMATTR InstName M8
SYMBOL pmos4 1136 144 R270
WINDOW 3 56 73 Left 2
SYMATTR Value CD4007P
SYMATTR InstName M9
SYMBOL cap 1056 16 R0
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 10�
SYMBOL cap 1088 304 R0
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 10�
SYMBOL res 1296 192 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 10k
SYMBOL cap 1392 224 R0
SYMATTR InstName C3
SYMATTR Value 1�
TEXT 856 -112 Left 2 !.model CD4007N NMOS(LEVEL=1 KP=1123u VT0=1.48 LAMBDA=0.018 CGDO=400n)\n.model CD4007P PMOS(LEVEL=1 KP=1123u VT0=-1.48 LAMBDA=0.018 CGDO=400n)
TEXT 1264 -32 Left 2 !VIN IN 0 2\nV1 Phi1 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 900u 2000u)\n \nV2 Phi2 0 PULSE(0 5 1000u 100u 100u 900u 2000u)
TEXT 1320 344 Left 2 !.tran 0 60m 0m

Eine Ladungspumpe kann Spannungen erzeugen, die größer sind als die Versorgungsspannung oder negativ sind. Jede Stufe erhöht oder erniedrigt die erzeugte Spannung um eine Versorgungsspannung.
Zum Verständnis der Schaltung führt man die Simulation per Hand durch.
Bei einer Änderung der Spannung an Phi1 wird die Spannungsdifferenz an C1 entsprechend verschoben.
Achtung: Bulk der PFETs muss mit der größten Spannung verbunden sein.

Bei negativen Spannungen wird Eingang und Ausgang vertauscht und der Bulk Anschluss der NFETs mit der negativsten Spannung verbunden.

ChargeN.asc

Da im idealen Fall die Eingangsleistung gleich der Ausgangsleistung ist, wird bei erhöhter Spannung am Ausgang der Ausgangsstrom entsprechend kleiner.
Dies ist bei der Dimensionierung der Schaltung zu beachten.

Mehrere Stufen

Es dauert einige Zeit bis die Ausgangsspannung erreicht ist.
Ausgangsspannungsschwankungen

Charge3.asc

Version 4
SHEET 1 2776 680
WIRE 1008 32 944 32
WIRE 1584 32 1520 32
WIRE 2144 32 2080 32
WIRE 944 48 944 32
WIRE 1520 48 1520 32
WIRE 2080 48 2080 32
WIRE 1264 64 1184 64
WIRE 1840 64 1760 64
WIRE 2400 64 2320 64
WIRE 960 96 928 96
WIRE 1008 96 1008 32
WIRE 1072 96 1072 80
WIRE 1072 96 1056 96
WIRE 1136 96 1072 96
WIRE 1184 96 1184 64
WIRE 1264 96 1264 64
WIRE 1264 96 1232 96
WIRE 1536 96 1504 96
WIRE 1584 96 1584 32
WIRE 1648 96 1648 80
WIRE 1648 96 1632 96
WIRE 1712 96 1648 96
WIRE 1760 96 1760 64
WIRE 1840 96 1840 64
WIRE 1840 96 1808 96
WIRE 2096 96 2064 96
WIRE 2144 96 2144 32
WIRE 2208 96 2208 80
WIRE 2208 96 2192 96
WIRE 2272 96 2208 96
WIRE 2320 96 2320 64
WIRE 2400 96 2400 64
WIRE 2400 96 2368 96
WIRE 1040 160 1040 144
WIRE 1104 160 1040 160
WIRE 1216 160 1216 144
WIRE 1216 160 1104 160
WIRE 1616 160 1616 144
WIRE 1680 160 1616 160
WIRE 1792 160 1792 144
WIRE 1792 160 1680 160
WIRE 2176 160 2176 144
WIRE 2240 160 2176 160
WIRE 2352 160 2352 144
WIRE 2352 160 2240 160
WIRE 928 176 928 96
WIRE 928 176 896 176
WIRE 1264 176 1264 96
WIRE 1312 176 1264 176
WIRE 1344 176 1312 176
WIRE 1504 176 1504 96
WIRE 1504 176 1344 176
WIRE 1840 176 1840 96
WIRE 1888 176 1840 176
WIRE 1936 176 1888 176
WIRE 2064 176 2064 96
WIRE 2064 176 1936 176
WIRE 2400 176 2400 96
WIRE 2448 176 2400 176
WIRE 2528 176 2448 176
WIRE 1072 208 1072 96
WIRE 1072 208 976 208
WIRE 1152 208 1072 208
WIRE 1312 208 1312 176
WIRE 1408 208 1312 208
WIRE 1648 208 1648 96
WIRE 1648 208 1552 208
WIRE 1728 208 1648 208
WIRE 1888 208 1888 176
WIRE 1984 208 1888 208
WIRE 2208 208 2208 96
WIRE 2208 208 2112 208
WIRE 2288 208 2208 208
WIRE 2448 208 2448 176
WIRE 2544 208 2448 208
WIRE 976 224 976 208
WIRE 1152 224 1152 208
WIRE 1408 224 1408 208
WIRE 1552 224 1552 208
WIRE 1728 224 1728 208
WIRE 1984 224 1984 208
WIRE 2112 224 2112 208
WIRE 2288 224 2288 208
WIRE 2544 224 2544 208
WIRE 928 272 928 176
WIRE 960 272 928 272
WIRE 1104 272 1104 160
WIRE 1104 272 1056 272
WIRE 1136 272 1104 272
WIRE 1264 272 1264 176
WIRE 1264 272 1232 272
WIRE 1504 272 1504 176
WIRE 1536 272 1504 272
WIRE 1680 272 1680 160
WIRE 1680 272 1632 272
WIRE 1712 272 1680 272
WIRE 1840 272 1840 176
WIRE 1840 272 1808 272
WIRE 2064 272 2064 176
WIRE 2096 272 2064 272
WIRE 2240 272 2240 160
WIRE 2240 272 2192 272
WIRE 2272 272 2240 272
WIRE 2400 272 2400 176
WIRE 2400 272 2368 272
WIRE 1104 304 1104 272
WIRE 1312 304 1312 288
WIRE 1408 304 1408 288
WIRE 1408 304 1312 304
WIRE 1680 304 1680 272
WIRE 1888 304 1888 288
WIRE 1984 304 1984 288
WIRE 1984 304 1888 304
WIRE 2240 304 2240 272
WIRE 2448 304 2448 288
WIRE 2544 304 2544 288
WIRE 2544 304 2448 304
WIRE 1184 320 1184 272
WIRE 1264 320 1264 272
WIRE 1264 320 1184 320
WIRE 1312 320 1312 304
WIRE 1760 320 1760 272
WIRE 1840 320 1840 272
WIRE 1840 320 1760 320
WIRE 1888 320 1888 304
WIRE 2320 320 2320 272
WIRE 2400 320 2400 272
WIRE 2400 320 2320 320
WIRE 2448 320 2448 304
WIRE 1008 336 1008 272
WIRE 1584 336 1584 272
WIRE 2144 336 2144 272
FLAG 1008 336 0
FLAG 944 48 0
FLAG 896 176 In
IOPIN 896 176 In
FLAG 1344 176 Out1
FLAG 1072 16 Phi1
IOPIN 1072 16 In
FLAG 1104 368 Phi2
IOPIN 1104 368 In
FLAG 1312 320 0
FLAG 1584 336 0
FLAG 1520 48 0
FLAG 1936 176 Out2
FLAG 1648 16 Phi1
IOPIN 1648 16 In
FLAG 1680 368 Phi2
IOPIN 1680 368 In
FLAG 1888 320 0
FLAG 2144 336 0
FLAG 2080 48 0
FLAG 2528 176 Out3
IOPIN 2528 176 Out
FLAG 2208 16 Phi1
IOPIN 2208 16 In
FLAG 2240 368 Phi2
IOPIN 2240 368 In
FLAG 2448 320 0
SYMBOL nmos4 1056 224 R90
WINDOW 3 83 72 Left 2
SYMATTR Value CD4007N
SYMATTR InstName M2
SYMBOL nmos4 960 144 R270
WINDOW 3 83 72 Left 2
SYMATTR Value CD4007N
SYMATTR InstName M1
SYMBOL pmos4 1232 224 R90
WINDOW 3 56 73 Left 2
SYMATTR Value CD4007P
SYMATTR InstName M8
SYMBOL pmos4 1136 144 R270
WINDOW 3 56 73 Left 2
SYMATTR Value CD4007P
SYMATTR InstName M9
SYMBOL cap 1056 16 R0
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 10�
SYMBOL cap 1088 304 R0
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 10�
SYMBOL res 1296 192 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 100k
SYMBOL cap 1392 224 R0
SYMATTR InstName C3
SYMATTR Value 1�
SYMBOL nmos4 1632 224 R90
WINDOW 3 83 72 Left 2
SYMATTR Value CD4007N
SYMATTR InstName M3
SYMBOL nmos4 1536 144 R270
WINDOW 3 83 72 Left 2
SYMATTR Value CD4007N
SYMATTR InstName M4
SYMBOL pmos4 1808 224 R90
WINDOW 3 56 73 Left 2
SYMATTR Value CD4007P
SYMATTR InstName M5
SYMBOL pmos4 1712 144 R270
WINDOW 3 56 73 Left 2
SYMATTR Value CD4007P
SYMATTR InstName M6
SYMBOL cap 1632 16 R0
SYMATTR InstName C4
SYMATTR Value 10�
SYMBOL cap 1664 304 R0
SYMATTR InstName C5
SYMATTR Value 10�
SYMBOL res 1872 192 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 100k
SYMBOL cap 1968 224 R0
SYMATTR InstName C6
SYMATTR Value 1�
SYMBOL nmos4 2192 224 R90
WINDOW 3 83 72 Left 2
SYMATTR Value CD4007N
SYMATTR InstName M7
SYMBOL nmos4 2096 144 R270
WINDOW 3 83 72 Left 2
SYMATTR Value CD4007N
SYMATTR InstName M10
SYMBOL pmos4 2368 224 R90
WINDOW 3 56 73 Left 2
SYMATTR Value CD4007P
SYMATTR InstName M11
SYMBOL pmos4 2272 144 R270
WINDOW 3 56 73 Left 2
SYMATTR Value CD4007P
SYMATTR InstName M12
SYMBOL cap 2192 16 R0
SYMATTR InstName C7
SYMATTR Value 10�
SYMBOL cap 2224 304 R0
SYMATTR InstName C8
SYMATTR Value 10�
SYMBOL res 2432 192 R0
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 100k
SYMBOL cap 2528 224 R0
SYMATTR InstName C9
SYMATTR Value 1�
TEXT 856 -112 Left 2 !.model CD4007N NMOS(LEVEL=1 KP=1123u VT0=1.48 LAMBDA=0.018 CGDO=400n)\n.model CD4007P PMOS(LEVEL=1 KP=1123u VT0=-1.48 LAMBDA=0.018 CGDO=400n)
TEXT 856 432 Left 2 !VIN IN 0 5\nV1 Phi1 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 900u 2000u)\n\nV2 Phi2 0 PULSE(0 5 1000u 100u 100u 900u 2000u)
TEXT 1320 344 Left 2 !.tran 0 250m 0

Bei n Stufen ergibt sich eine Spannung von n · VDD.

Praktische Realisierung

Ladungspumpe Spannungsverdopplung

Ladungspumpe Ringoszillator

C = 470 nF, f = 1kHz, VDD = 4 V.
Bei der Ladungspumpe wird die Spannung ohne Last von 4 V auf 8 V verdoppelt.
Mit einer Last von 68kΩ reduziert sich die Spannung.

Takterzeugung: Ringoszillator

Vout [V]	2	3	4	5	6
f [kHz]	227	2100	4500	6800	8900

Je höher die Spanung, desto größer die Frequenz.

Operationsverstärkerschaltungen

4.10 Differential Amplifier
Gleichung
4.11 Instrumentation Amplifier
4.12 Instrumentation Amplifier AD620
4.13 Bridge Amplifier
4.14 ECG
Schaltungsanalyse
AD8220

Eingangsbereich? Common Mode?

Unit 4, 10-14

Differenzverstärker

subtrahierer.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 112 16 96 16
WIRE -16 48 -32 48
WIRE 96 48 96 16
WIRE 96 48 64 48
WIRE 96 80 96 48
WIRE 112 80 96 80
WIRE 192 96 192 16
WIRE 192 96 176 96
WIRE 208 96 192 96
WIRE 112 112 96 112
WIRE 64 128 48 128
WIRE 96 128 96 112
WIRE 96 128 64 128
WIRE 96 144 96 128
FLAG -32 48 Ve1
IOPIN -32 48 In
FLAG 208 96 Va
IOPIN 208 96 Out
FLAG 96 224 0
FLAG -32 128 Ve2
IOPIN -32 128 In
FLAG 64 128 Vx
SYMBOL Opamps\\opamp 144 32 R0
SYMATTR InstName U1
SYMBOL res 80 32 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value ""
SYMBOL res 64 112 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value ""
SYMBOL res 208 0 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName RN
SYMATTR Value ""
SYMBOL res 80 128 R0
SYMATTR InstName RP
SYMATTR Value ""

Spannung am Operationsverstärker Ux

$U_x = U_{I2} \frac{R_4}{R_3 + R_4}$

$\frac{U_{I1} - U_x }{R_1} = \frac{ U_x - U_{o}}{R_2}$

$U_{I1} - U_x = \left( U_x - U_{o} \right) \frac{R_1}{R_2}$

$U_x \left( 1 + \frac{R_1}{R_2} \right) = U_{I1} + U_o \frac{R_1}{R_2}$

$U_{I2} \frac{R_4}{R_3 + R_4} \left( 1 + \frac{R_1}{R_2} \right) = U_{I1} + U_o \frac{R_1}{R_2}$

R = R1 = R2 = R3 = R4

$U_{I2} = U_{I1} + U_o$

$U_{o} = U_{I2} - U_{I1}$

Zusammenfassung und nächste Vorlesung

Schaltregler CCM, DCM
Charge pump
Differnetial Amplifier

Nächstes Mal

19 Anwendung EKG

2021 Schaltungstechnik 18 Anwendungen Prof. Dr. Joerg Vollrath