1、电荷泵原理 电荷泵的基本原理是，电容的充电和放电采用不同的连接方式，如并联充电、串联放电，串联充电、并联放电等，实现升压、降压、负压等电压转换功能。 上图为二倍升压电荷示，为最简单的电荷泵电路。V2输出为方波信号，当V2为低电平的时候，V1通过D1、C1、V2对电容C2充电，C2两端电压上正下负;当V2为高电平输出的时候，V2输出电压与C1两端电压相叠加，通过D3对负载供电并对C2充电。如果忽略二极管压降，则C2两端电压Vo=V2+V1，其中V2为电压源V2的高电平输出电压。 由于电荷泵整个工作过程的核心部分为电容充放电过程，所以最重要的公式为电容充放电公式：I*T=ΔV*C，其中T为电容充放电周期，ΔV为每个充放电周期内电容两端电压波动，I为充放电电流。 电荷泵以非常简单的电路可以实现升压、降压、负压等功能，所以各种不同的场合为电路扩展小功率电路。 2、电荷泵在电路中的作用 1.功率电路中的电荷泵 电荷泵的一个非常广泛的用途就是在由N沟道MOSFET构成的半桥电路中为上桥臂提供浮驱电压。典型接法如下图所示，图中红框内的二极管D及电容Cboot与主电路中半桥的下桥臂T1构成电荷泵。当半桥的下臂T1开通时，Vcc 通过D与T1为电容Cboot充电;当T1关断T2导通时，Cboot为上臂T2提供MOSFET导通所必需的Vgs电压。这是由于T2在电路中的位置所决定的，当T2导通时，如果忽略导通压降Vds，T2的源极电压Vs=Vr，所以如果想要饱和导通，加上T2门极上的驱动电压需满足Vg=Vr+Vgs，对于功率型N沟道
MOSFET而言，Vgs通常需要15V左右。电荷泵以很少的元器件满足了这一设计要求，所以在此类应用中得到广泛应用。 虽然上图中所述的自举型电荷泵（采用半桥的下臂作为电荷泵的一部分）使电路设计变得非常简单，但实际使用过程中有些限制，如对桥臂的开通时序和占空比有限制等。所以，在某些要求比较高的应用场合，采用他驱型的电荷泵，即将电荷泵电路及驱动波形与主功率电路分离，采用外部电路构成电荷泵。这样的电路虽然结构比自举驱动电路略微复杂一些，但克服了自举驱动电路的一些问题，在某些场合也得到较广泛的应用。 2.RS-232电平转换中的升压、负压 电荷泵的另外一个极为广泛的应用就是为电平转换芯片提供符合RS-232标准的电源电压。电平转换芯片的供电通常为3.3V或者5V的单电源，而RS232电平标准要求，以-3~-15V表示逻辑电平“1”，以+3~+15V表示逻辑电平“0”，所以RS232转换芯片不仅要完成电平转换，还要提供符合要求的电源转换。 下图为RS232电平转换芯片的典型结构框图，首先以一个升压电荷泵将+3.3V或5V的输入电源进行二倍压升压，然后采用一个负压电荷泵将二倍压升压后的电源输出进行转换为负电压。
背景知识： 便携式移动设备大多以电池供电，其负载电路通常是微处理器控制的设备，比如移动电话、掌上电脑等等，此类设备要求供电电源效率高、输出纹波电压小。直流变换器就是把未经调整的电源电压转化为符合要求的电源。电池的广泛使用，给这一类电源带来特殊的要求:高效率、静态电流小、很小的面积、低重量并且价格便宜。传统的电源通常使用一个电感实现DC/DC变换，但是电感体积庞大、容易饱和、会产生EMI而且电感价格昂贵。为解决此类问题，现代电源通常采用电荷泵电路。电荷泵采用电容储存能量，外接组件少，非常适合用于便携式设备中，并且随着其电路结构的不断改进和工艺水平的提高，也可应用在需要较大电流的应用电路中。因此高效率电荷泵DC-DC转换器因其功耗小、成本低、结构简单、无需电感、二极管、MOSFET等外围组件、高EMI抑制等优点，在电源管理电路中己得到广泛应用。 基本原理： 电荷泵使用电容储存能量，并且随着电荷泵电路结构的改进，也可应用在需要大电流的应用电路中。一般电荷泵电路主要有两种工作模式——“LINEAR” 模式和“SKIP”模式。 当电荷泵工作在“LINEAR”模式下，可以获得较低的输出纹波，工作在“SKIP”模式下可以获得较低的静态电流。为描述方便，以下分析中的电荷泵四个开关管均用NMOS代替，而并非实际上电荷泵开关中既有PMOS又有NMOS。 无电感型电荷泵如图1所示，包含四个开关(M1-M4)、一个泵电容(flying capacitor) CF、输出电容(OutputCa pacitor)LOUT。一个简单的工作过程可分为三个阶段: 阶段A ( 充电阶段，M1和M2导通):泵电容被VIN充电，CF两端的平均压差为VIN减去充电电流在M1和M2产生压降。 阶段B （能量传输阶段，M3和M4导通):泵电容向负载电容放电，其两极平均电压为 阶段C (等待阶段，M1-M4均不导通):没有能量从VIN传输到CF和Cout。VCF =常量。在等待状态，CF两端电压保持恒定，这意味着:
基于LM331频率电压转换器电路设计LM331基本上是从国家半导体精密电压频率转换器。该集成电路具有手像应用模拟到数字的转换，长期一体化，电压频率转换，频率电压转换。宽动态范围和出色的线性度，使适合上述应用的IC，这里的LM331作为电压转换器转换成一个成比例的电压，这是非常线性的输入频率与输入频率的频率有线。电压转换的频率达到差分输入频率使用电容C3和电阻R7，和由此产生的脉冲序列喂养的PIN6的 IC(阈值)。在PIN6负由此产生的脉冲序列的边缘，使得内建 说明 LM331基本上是从国家半导体精密电压频率转换器。该集成电路具有手像应用模拟到数字的转换，长期一体化，电压频率转换，频率电压转换。宽动态范围和出色的线性度，使适合上述应用的IC，这里的LM331作为电压转换器转换成一个成比例的电压，这是非常线性的输入频率与输入频率的频率有线。电压转换的频率达到差分输入频率使用电容C3和电阻R7，和由此产生的脉冲序列喂养的PIN6的 IC(阈值)。在PIN6负由此产生的脉冲序列的边缘，使得内建的比较器电路，触发定时器电路。在任何时刻，电流流过的电流输出引脚(引脚6)将输入频)的值成正比。因此，输入频率(FIN)成正比的电压(VOUT)率和定时元件(R1和C1 将可在负载电阻R4 。电路图
注意事项 该电路可组装在一个VERO板上。 我用15V直流电源电压(+ VS)，同时测试电路。 LM331可从5至30V DC之间的任何操作。 R3的值取决于电源电压和方程是R3 =(VS - 2V)/(2毫安)。 根据公式，VS = 15V，R3 = 68K。 输出电压取决于方程，VOUT =((R4)/(R5 + R6))* R1C1 * 2.09V *翅。壶R6可用于校准电路。
一种改进型的CMOS电荷泵电路1 朱翔，陈星弼 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都（610054） E-mail：xiangzhu@https://www.doczj.com/doc/fb15878994.html, 摘要：本文提出一种改进型的CMOS电荷泵电路结构。在传统的电荷泵电路基础上，本文采用了后级反馈控制结构和预充电结构。理论分析表明，本文结构具有更小的开关管损耗、更大的电压增益与更高的输出电压，同时获得更短的初态建立时间与更高的电路转换效率。CADENCE SPECTRE 仿真显示，相对于传统结构，电压增益增大60%，初态建立时间缩小20% 。该结构适用于低电源电压和低功耗电路设计。 关键词：电荷泵电路，电压增益，初态建立时间，转换效率 中图分类号：TN4 1．引言 电荷泵电路是一种能够产生比电源电压更高的电压的电路。它在实现过程中不使用电感，而能够只用电容和有源器件来实现，非常便于集成。电荷泵电路具有广泛应用，一个重要的用途是用于非易失性存储器中，作为编程电压产生器或电平转换电路中的高压产生器。电荷泵电路还应用在需要高压来驱动模拟开关的低电源电压开关电容系统、数模转换器和DC-DC转换器中。随着IC的设计与制造中晶体管尺寸的逐渐减小（scaling down）以及低功耗的需求越来越高，电源电压将不断降低，电荷泵电路的应用也将越来越广泛[1]。 现在集成的电荷泵电路多数基于经典的Dickson型电荷泵[2]。其基本结构如图1所示，时钟脉冲经电容耦合到各个极点,利用二极管的单向导电性和电容存储电荷的特性,在时钟驱动下将电荷从输入端推向输出端。在CMOS工艺中，二极管不易实现，往往用栅漏短接的MOS 管代替，但MOS管的阈值电压会严重影响电荷泵的增益，衬偏效应使问题更加严重，限制了最大输出电压。为了解决这个问题，已经有很多种方案被提出，如Jinbo的四相位电荷泵电路，Wu的 Static CTS电荷泵电路等等，都是对Dickson型电荷泵较低增益缺陷的改进。 图1 经典的Dickson型电荷泵电路 另外，由于电荷泵不可避免涉及到启动时间的问题，特别是电荷泵级数增多时，初态建立时间会更长，进而影响电荷泵的效率，因此初态情况也是需要考虑的问题。 本文提出了一种改进型的CMOS电荷泵，在Wu的电荷泵基础上进行改进，既有较大的增益，又优化了初态建立时间。第二部分将详细进行分析。第三部分将给出电路的仿真，第四部分简略描述相关的振荡器电路,最后是结论。 1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20030614005）的资助。
《模拟电子技术基础》课程设计报告题目电压/频率变换器 班级电科1124 姓名冯刚毅 学号201211911406 成绩 日期
课程设计任务书
一电压/频率变换器的设计方案简介 1.1 实验目的及应用意义 1．学习简单积分电路的设计与由555定时器组成的单稳态触发器。 2．用multisim设计出实验原题图，使V I变化范围：0∽10V，f o变化范围：0∽10kHz；并分析其功能原理。 1.3 设计思路 电压/频率变换器的输入信号频率f。与输入电压V i 的大小成正比，输入控制电压V i常为直流电压，也可根据要求选用脉冲信号做为控制电压，其输出信号可为正弦波或者脉冲波形电压。 本设计利用输入电压的大小改变电容的充电速度，从而改变振荡电路的振荡频率，故采用积分器作为输入电路。积分器的输出信号去控制电压比较器或者单稳态触发器，可得到矩形脉冲输出，由输出信号电平通过一定反馈方式控制积分电容恒流放电，当电容放电到某一域值时，电容C再次充电。由此实现V i 控制电容充放电速度，即控制输出脉冲频率。 1.4 原理框图设计
电压频率转换器原理框图1.5 电路图
二电压频率变换器各单元电路设计 2.1 积分器设计 积分器采用集成运算放大器和R C 元件构成的反向输入积分器。具体电路如下： 2.2 单稳态触发器设计 单稳态触发器采用555 定时器构成的单稳电路。具体电路如下：
2.3 电子开关设计 电子开关采用开关三极管接成反向器形式，当触发器的输出为高电平时，三极管饱和导通，输出近似为0，当触发器输出为低电平时，三极管截止，输出近似等于+Vcc。 2.4 恒流源电路设计 恒流源电路可采用开关三极管T，稳压二极管D z 等元件构成。具体电路如下所示。当V1’为0时，D2，D3 截止，D4 导通，所以积分电容通过二极管放电。当V1’为1 时，D2，D3 导通，D4 截止，输入信号对积分电容充电。在单稳态触发器的输出端得到矩形脉冲。
. 频率/电压变换器* 一、概述 本课题要求熟悉集成频率——电压变换器LM331的主要性能和一种应用； 熟练掌握运算放大器基本电路的原理，并掌握它们的设计、测量和调整方法。 二、技术要求 当正弦波信号的频率f i 在200Hz~2kHz 范围内变化时,对应输出的直流电压V i 在1~5V 范围内线形变化; 正弦波信号源采用函数波形发生器的输出(见课题二图5-2-3); 采用±12V 电源供电. 三、设计过程 1．方案选择 可供选择的方案有两种,它们是: 》 ○ 1用通用型运算放大器构成微分器,其输出与输入的正弦信号频率成正比. ○ 2直接应用F/V 变换器LM331,其输出与输入的脉冲信号重复频率成正比. 因为上述第○ 2种方案的性能价格比较高,故本课题用LM331实现. LM331的简要工作原理 LM331的管脚排列和主要性能见附录 LM331既可用作电压――频率转换（VFC ） 可用作频率――电压转换（FVC ） LM331用作FVC 时的原理框如图5-1-1所示. R +V CC 此时,○ 1脚是输出端(恒流源输出),○6脚为输入端(输入脉冲链),○7脚接比较电平. 工作过程(结合看图5-1-2所示的波形)如下: ；
2/3V CC v ct V 0 v CL p-p V CC 1 s t 图5-1-2 当输入负脉冲到达时,由于○6脚电平低于○7脚电平,所以S=1(高电平)，Q =0（低电平）。
此时放电管T 截止，于是C t 由V CC 经R t 充电，其上电压V Ct 按指数规律增大。与此同时，电 流开关S 使恒流源I 与○1脚接通，使C L 充电，V CL 按线性增大（因为是恒流源对C L 充电）。 经过的时间，V Ct 增大到2/3V CC 时，则R 有效（R=1，S=0），Q =0，C t 、C L 再次充电。然后，又经过的时间返回到C t 、C L 放电。 以后就重复上面的过程，于是在R L 上就得到一个直流电压V o （这与电源的整流滤波原理类似），并且V o 与输入脉冲的重复频率f i 成正比。 C L 的平均充电电流为i ×（）×f i C L 的平均放电电流为V o /R L 当C L 充放电平均电流平衡时，得 V o =I ×（）×f i ×R L 式中I 是恒流电流，I=R S 式中是LM331内部的基准电压（即2脚上的电压）。 于是得i t t S L o f C R R R 09 .2V = " 可见，当R S 、R t 、C t 、R L 一定时，V o 正比于f i ，显然，要使V o 与f i 之间的关系保持精确、稳定，则上述元件应选用高精度、高稳定性的。 对于一定的f i ，要使V o 为一定植，可调节R S 的大小。恒流源电流I 允许在10μA~500μA 范围内调节，故R S 可在190k Ω~ k Ω范围内调节。一般R S 在10k Ω左右取用。 2．LM331用作FVC 的典型电路 LM331用作FVC 的电路如图5-1-3所示。 f i lo mA 2.02 V R CC x -=
电荷泵的基本原理 电容是存储电荷或电能，并按预先确定的速度和时间放电的器件。如果一个理想的电容以理想的电压源％进行充电，如图1（a）所示，则电容将依据Dirac电流脉冲函数立即存储电荷，如图1（b）所示。存储的｀总电荷数量按下式计算。 实际的电容具有等效串联阻抗（ESR）和等效串联电感（ESL），两者都不会影响到电容存储电能的能力。然而，它们对开关电容电压变换器的整体转换效率有很大的影响。实际电容充电的等效电路如图1（c）所示，其中Rs．是开关的电阻。ESL 为实际的电容等效串联电感，则在电容的充电电流路径上具有串联电感，通过适当的器件布局设计可以减小这个串联电感。 图1 电荷泵工作的基本原理图 如图2（a）所示的电路一旦被加电，由于电容的寄生效应限制了峰值充电电流，并增加了电荷转移时间，因此电容的电荷累积不能立即完成，这意味着电容两端的初始电压变化为零。电荷泵就是利用了这种电容特性来工作的。 图2 电荷泵电路及其工作波形 电压变换在两个阶段内得以实现。在第一个阶段期间，开关S1和S2关闭，而开关S3和S4打开，电容充电到其值等于输入电压。
在第二个阶段，开关S3和s4关闭，而S1和S2打开。因为电容两端的电压降不能立即改变，输出电压则跳变到输入电压值的两倍，即 使用这种方法可以实现电压的倍压，通常开关信号的占空比为50％时，能产生最佳的电荷转移效率。 图2（b）中显示了图（a）电路实现电压倍压的稳态电流和电压波形。如图（a）所示电路在第一阶段时，充电电流会流入到C1中。该充电电流的初始值决定于电容C1两端的初始电压、C1的ESR及开关的电阻。在C，充电后，充电电流呈指数级地降低。充电时间常数是开关周期的几倍，更小的充电时间常数将导致峰值电流的增加。在这个时间内，输出电容CHOLD 线性放电以提供负载电流。 在第二阶段，C1＋连接到输出端，放电电流（电流大小与前面的充电电流相同）通过C1流到负载。在这个阶段，输出电容电流的变化大约为2IOUT。尽管这个电流变化应该能产生的输出电压变化为2IOUT×ESRCHOLD，但使用低ESR的陶瓷电容使得这种变化可以忽略不计。此时，CHOLD线性地充电。当C1连接到输入和地之间时，CHOLD线性地放电。总的输出纹波峰-峰电压值为 在更高的开关频率时可以采用更小的输出电容来获得相同的纹波，电荷泵的寄生效应会导致输出电压随着负载电流的增加而下降。事实上，总是存在2IOUT的电流流过C1和两个开关导通电阻（RSW），导致产生的功耗为 除了这些纯粹的电阻损耗，电流IOUT流过开关电容C1的等效电阻时产生的功耗为 流过CHOLD的电流等于IOUT，其产生的功耗为 所有这些损耗可以用下面的等效输出电阻进行汇总。 这样一来，电荷泵的输出电压为 电荷泵的开关工作示意图如图3所示。同样的，电压转换在两个阶段内得以实现。在第一个阶段，开关S1～S3关闭，而开关S4～S8打开。因此，C1和C2并联，假设C1＝C2则充电到一半的输入电压为
机械与电子工程学院 课程设计报告 课程名称模拟电子技术课程设计设计题目电压频率变换器 所学专业名称电气信息类 班级电类114班 学号********** 学生姓名王*金 指导教师汪* 2012年12月23日
机电学院模拟电子技术课程设计 任务书 设计名称：电压频率转换器 学生姓名：王*金指导教师：汪* 起止时间：自2012 年12 月10 日起至2012 年12 月25 日止 一、课程设计目的 1).熟悉集成电路及有关电子元器件的使用; 2).了解电压平频率转换器主体电路的组成及工作原理; 3).学习电路中基本电路的应用以及单稳态触发器等综合应用。 二、课程设计任务和基本要求 设计任务： 1）.熟悉和应用比较器的构成及设计方法，尤其是迟滞比较器的应用。 2）.熟悉和应用积分器的构成和设计方法，了解电容在其中的工作原理。 3）.熟悉和简单应用二极管作电子开关的构成和设计方法。 4）.熟悉迟滞比较器与积分器之间的波形转换。 5）.熟悉掌握运用multisim画图、调试和仿真。 基本要求： 1).有明确的设计方案使操作简便易行。 2）.设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波，包括：积分器；电压
比较器。 3）.输入为直流电压0-10V。 4）.输出为f=0-500Hz的矩形波。 5).按规定格式写出课程设计报告书。
机电学院模拟电子技术课程设计指导老师评价表
目录 摘要和关键词 (1) 第一章设计指标 (2) 1.1 设计指标 (2) ◆ 1.1.1设计内容 (2) ◆ 1.1.2设计要求 (2) 第二章系统设计原理及内容 (2) 2.1 设计思想 (2) 电压/频率转换器原理框 (2) 第三章电路各模块方案设计 (3) 3.1 积分器的设计方案 (3) 3.2比较器的设计方案 (4) ◆ 3.2.1电压比较器 (4) ◆ 3.2.2过零比较器 (5) 3.3单稳态触发器 (6) 3.4低通滤波器 (6) 3.5模块的整合 (7) ◆ 3.5.1 电压/频率 (7) ◆ 3.5.2 频率/电压 (7) 第四章结束语 (8) 4.1心得体会 (8) 元件清单 (9) 参考文献 (9)
设计指南Q&A系列: 电荷泵 上网时间：2006年05月26日 Sam Davis 著 电荷泵主要有哪些应用？ 在过去的十年了，电荷泵得到了广泛运用，从未调整单输出IC到带多输出电压的调整IC。输出功率和效率也得到了发展，因此现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流，效率达到75%(平均值)。电荷泵大多应用在需要电池的系统，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。 主要应用包括驱动用于手机背光的白光LED和毫瓦范围的数字处理器(如图)。 电荷泵如何工作？ 电荷泵(开关电容)IC通过利用一个开关网络给两个或两个以上的电容供电或断电来进行DC/DC电压转换。基本电荷泵开关网络不断在给电容器供电和断电这两个状态之间切换。C1(充电电容)传输电荷，而C2(充电电容器)则储存电荷并过滤输出电压。 额外的“快速电容”和开关阵列带来多种好处。 电荷泵有哪些工作模式？ 电荷泵IC可以用作逆变器、分路器或者增压器。逆变器将输入电压转变成一个负输出。作为分路器使用时，输出电压是输出电压的一部分，例如1/2或2/3。作为增压器时，它可以给I/O带来一个1.5X或者2X的增益。很多便携式系统都是用一个单锂离子电池或者两个金属氢化物镍电池。因此当在2X模式下运行时，电荷泵可以给一般在3.3V到4.0V的范围内工作的白光LED供应适当的正向电压。 电荷泵的输出电压经过调节吗？ 基本电荷泵缺少调整电路，因此实际上所有当今使用的电荷泵IC都增加线性调整或者电荷泵调制。线性调整的输出噪音最低，并可以在更低的效率情况下提供更好的性能。而由于调整IC没有串联传输晶体管，控制开关电阻的电荷泵调制就可以提供更高的效率，并为一个给定的芯片面积(或消耗)提供更多的输出电流。 电荷泵的主要优势是什么？ 电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。但是，仍然有一个可能的微小噪音源，那就是当快速电容和一个输入源或者另外一个带不同电压的电容器相连时，流向它的高充电电流。同样的，“分路器”电荷泵也能在LDO上改进
电荷泵 电荷泵: 1、定义:也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器).它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(0.5,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达80％的效率，而且只需外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI(电磁干扰) e.g:通过控制内部三极管的gate来控制电容充放电,比如升1.5倍,输出为Vin 加上电容两端的0.5Vin达到Vout=1.5Vin DC-DC:直流－直流转换模块 2、电荷泵的分类、工作原理及典型应用电路 2.1电荷泵分类 电荷泵可分为： ——开关式调整器升压泵，如图1(a)所示。 ——无调整电容式电荷泵，如图1(b)所示。 ——可调整电容式电荷泵，如图1(c)所示。 2.2工作过程 3种电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。 电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。因工作于较高频率，可使用小型陶瓷电容器(1μF)，占用空间最小，使用成本较低。电荷泵仅用外部电容器即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的等效串联电阻（ESR)和内部开关晶体管的RDS（ON）。电荷泵转换器不使用电感器，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容器滤除。它的输出电压是工厂生产时精密预置的,可通过后端片上线性调整器调整，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。电容式电荷泵的内部结构如图2所示。它实际上是一个基准、比较、转换和控制电路组成的系统。 电荷泵工作原理
负压电荷泵的工作原理 由Dickson 电荷泵理论可以推广得到产生负电压的电荷泵电路，负压电荷 泵的工作原理如图1 所示。其基本原理与Dickson 电荷泵是一致的，但是利用 电容两端电压差不会跳变的特性，当电路保持充、放电状态时，电容两端的电 压差将保持恒定。在这种情况下将原来的高电位端接地，就可得到负电压的输 出。该电路实际上是一个由基准、比较、转换和控制电路组成的系统。具体而 言，它由振荡器、反相器及四个模拟开关组成，并外接两个电容C1、C2 从而 构成电荷泵电压反转电路。 图1 负压电荷泵的工作原理 振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关S1 及S2，此脉冲经反相器反相后控制 模拟开关S3 及S4。当模拟开关S1、S2 闭合时，模拟开关S3、S4 断开;模拟开关S3、S4 闭合时，模拟开关S1、S2 断开。 当模拟开关S1、S2 闭合，模拟开关S3、S4 断开时，输入的正电压+UIN 向 C1 充电(上正下负)，C1 上的电压为+UIN;当模拟开关S3、S4 闭合，模拟开关 S1、S2 断开时，C1 向C2 放电(上正下负)，C2 上充的电压为-UIN，即 UOUT=-UIN。当振荡器以较高的频率不断控制模拟开关S1、S2 及模拟开关 S3、S4 的闭合及断开时，在输出端可输出变换后的负电压(电压转换率可达99%左右)。 由如图1 所示的原理图分析可知，当时钟信号为高电平时，模拟开关S1、S2 同时导通，S3、S4 同时关断，UIN 对电容C1 进行充电，Ucl+=UIN-Utp- Utn(Utp 为开关S1 的电压降，Utn 为开关S2 的电压降)，Ucl-=Utn;当时钟信号 为低电平时，S1、S2 关断，S3、S4 同时导通，C1 上存储的电荷通过S3、S4 传送到C2 上，由于C2 高电位端接地，故输出端电压为UOUT=-(UIN-Utp)。
A1的反馈电阻决定其直流增益。调整电位器RP1（10kΩ），使输入频率为30kHz 时，A1输出为3V，这样对于输入0～30kHz频率，可得0～3V输出电压，线性度为0.005％左右。 温漂取决于电容C2、A1的反馈电阻以及基准电压（13脚电压）。为此，C2采用温度系数为-120ppm/℃的聚苯乙烯电容，R2（75kΩ）采用温度系数为+120ppm/℃的电阻，基准电压电路的稳压二极管VD1采用LT1004。 本电路开关电容滤波器采用LTC1043，A1采用LF356，也可用其他讼司类似产品代替。 如图是NE555构成的电压/频率转换电路。电路中n，A1和A2构成同相积分器，VT1和A3构成恒流源，NE555构成单稳多谐振荡器。VT2是受NE555控制使其开关工作，对恒流源实行通/断控制。 A1和A2构成同相积分器，即同相输入电位较高，则输出上升；反之，同相输入电位较低，则输出下降。恒流源电流对C1进行充电，由于A2的同相输入为零，致使A2输出向负方向变化。由于A2为反相器，因此，A1的输出当然是向正方向上升。若恒流源切断，则积分电流仅是与恒流源反向的输入电流对C1反向充电，又使A2的输出电压向正方向变化，同理A1的输出向负方向变化。由此可知，积分电流受VT2的控制改变方向，从而实现了A1的积分输出改变方向。A1的输出送至NE555的2脚，只要7脚内部晶体管开路，C2就由R4充电使其电压上升，当6脚电平达到（2/3）Ucc时就会使片内触发器翻转，3脚变为低电平，同时C2通过7脚放电返回到零电位。由于3脚为低电平，VD1导通使VT2截止，这就切断了恒流源向积分器的充电通路。这时，A1输出下降，一直降到（1/3）Ucc时又使NE555的2脚为低电平并处于触发状态，于是又开始新的一轮循环，即3脚输出高电平，C2通过R4充电，VD1截止使恒流源为积分器提供电流直到3脚返回到低电平为止。重复上述过程就形成振荡，将输入0～-1OV电压转换为0～100 kHz的频率输出。
电荷泵工作原理 电荷泵电压反转器是一种DC/DC变换器，它将输入的正电压转换成相应的负电压，即VOUT= -VIN。另外，它也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压，即VOUT≈2VIN。由于它是利用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成，所以这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器（Charge Pump Converter）。 电荷泵的应用 电荷泵转换器常用于倍压或反压型DC-DC 转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介，随着半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达1MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。 电荷泵电路主要用于电压反转器，即输入正电压，输出为负电压，电子产品中，往往需要正负电源或几种不同电压供电，对电池供电的便携式产品来说，增加电池数量，必然影响产品的体积及重量。采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池。由于工作频率采用2～3MHz，因此电容容量较小，可采用多层陶瓷电容（损耗小、ESR 低），不仅提高效率及降低噪声，并且减小电源的空间。 虽然有一些DC/DC 变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容，电路最简单，尺寸小，并且转换效率高、耗电少，所以它获得了极其广泛的应用。 目前不少集成电路采用单电源工作，简化了电源，但仍有不少电路需要正负电源才能工作。例如，D/A 变换器电路、A/D 变换器电路、V/F或F/V 变换电路、运算放大器电路、电压比较器电路等等。自INTERSIL公司开发出ICL7660电压反转器IC后，用它来获得负电源十分简单，90 年代后又开发出带稳压的电压反转电路，使负电源性能更为完善。对采用电池供电的便携式电子产品来说，采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量，并且在减少能耗（延长电池寿命）方面起到极大的作用。现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流，效率达到75%(平均值)。 电荷泵大多应用在需要电池的系统，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。便携式电子产品发展神速，对电荷泵变换器提出不同的要求，各半导体器件公司为满足不同的要求开发出一系列新产品，本文将作一个概况介绍。 电荷泵的分类 电荷泵分类 电荷泵可分为： ?开关式调整器升压泵，如图1(a)所示。 ?无调整电容式电荷泵，如图1(b)所示。 ?可调整电容式电荷泵，如图1(c)所示。
RS232接口芯片双电荷泵电平转换器 原理 电子工业协会Electronic Industries Association Electronic Industries Association(EIA)电子工业协会(EIA) 1924年成立的EIA是美国的一个电子制造商组织。 EIA-232，就是众所周知的RS-232，它定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的串行连结。这个标准被广泛采用。 EIA-RS-232C电气特性: 在TxD和RxD上：逻辑1=-3V～-15V 逻辑0=+3～＋15V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： 信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V 信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V～-15V RS-232-C电平采用负逻辑，即逻辑1：-3~-15V，逻辑0：+3~+15V。 注意，单片机使用的CMOS电平中，高电平（3.5~5V）为逻辑1，低电平（0~0.8V）为逻辑0。 单片机的SCI口要外接电平转换电路芯片把与TTL兼容的CMOS高电平表示的1转换成RS-232的负电压信号，把低电平转换成RS-232的正电压信号。典型的转换电路给出-9V和+9V。
典型的电平转换电路MAXx2xx系列芯片因单电源+5V供电，均有电荷泵电平转换器产生±10V电源，以供RS232电平所需。 一般是接4个泵电容，采用双电荷泵进行电平转换。标准接法如下图。 图1 芯片内带振荡器驱动双电荷泵，分双相四步工作，如下图。 图2电荷泵框图
第一步：S1、S3闭合，电源+5V向C1充电（图3）。C1电压最高可至5V。 图3 第二步：S2、S4闭合，C1所储电荷经S2、S4转移至C3，C3电压最高也可至5V。 C1电荷转移充电途径如红色虚线所示。 C3电压和电源+5V迭加起来提供10V的V+电源。 这时C1负端电位应等于电源+5V，所以C1负端电压波形应是0-+5V 的方波。 第三步：S5、S7闭合，C3所储电荷和电源+5V迭加经S5、S7向C2充电。 C2电压最高可至10V。充电途径如棕色虚线所示。 第二、三步实际同时进行（图4）。
电压频率与频率电压 转换电路 2011年8月24日
目录： 摘要： (2) Abstract: (2) 一、设计方案 (3) （一）、电压频率转换电路 (3) 1.基于555定时器的电压频率转换： (3) 2.基于LM331的电压频率转换： (4) （二）、频率电压转换电路 (5) 1.基于LM2907的频率电压转换： (5) 2.基于LM331的频率电压转换 (5) 二、主体电路设计 (8) 三、电路安装 (9) （一）、电压频率转换电路 (9) （二）、频率电压转换电路 (10) 四、系统调试： (10) （一）VFC: (10) （二）FVC： (11) 1
摘要： 本系统利用了LM331的原理及性能设计了频率电压以及电压频率转换电路，实现了0Hz--10kHz频率与0—10V电压的相互转换，电路简单，转换结果线性度好。 关键字：LM331 频率电压转换滤波 Abstract: The system uses the principle and characteristic of LM331 to design the frequency-to-voltage and the voltage-to- frequency conversion circuits, realizes the frequency of 0Hz--10kHz and the voltage of 0 - 10V’s transformation , the circuits are simple and result have good linearity. Key-word: LM331 frequency voltage transformation filter 2
DCDC转换器回路设计指南本资料为DC/DC转换器电路的设计提供一些提示，尽量用具体事例说明在各种制约条件下，怎样才能设计出最接近要求规格的DC/DC转换器电路。 DC/DC转换器电路的各种特性(效率、纹波、负载瞬态响应等)可根据外设元件的变更而变更，一般最佳外设元件因使用条件(输入输出规格)不同而不同，例如，当您问“怎样才能提高效率？”，回答“视使用条件而不同”或者“那要看具体情况啦”，感觉好像被巧妙地塘塞过去了，估计您也遇到过这样的情况吧。那么，为什么会出现这样的回答呢？其理由就是因为电源电路大多使用市售的商品作为电路的一部分，所以必须既要考虑大小、成本等的制约又要考虑电气要求规格来设计。 通常产品目录中的标准电路选定的元件大多是在标准使用条件下能发挥一般特性的元件，因而，并不一定能说在各种使用条件下都是最佳的元件选定。所以在各个设计中，必须根据各自的要求规格(效率、成本、贴装空间等)从标准电路进行设计变更。但要能设计出符合要求规格的电路，需要足够的知识和经验。 本资料就用具体的数值为不具备这些知识和经验的人说明哪些元件如何改变就能达到要求的动作，这样不需要进行复杂的电路计算就能快捷地使DC/DC转换器电路正常工作。至于正常工作后对设计
的检验，可以自己以后细细地计算，也可以一开始就请具有丰富知识和经验的人进行检验。 DC/DC转换器的种类和特点 DC/DC转换器电路根据其电路方式主要有以下一些： 非绝缘型 基本(单线圈)型 电容耦合型双线圈SEPIC, Zeta,… 电荷泵(开关电容/无线圈)型 绝缘型 变压器耦合型正向 变压器耦合型回扫
基本型系指通过将电路工作限定为只升压或者只降压来最低限度地减少元件数目，输入侧和输出侧没有电气绝缘的类型。 图1所示为升压电路
模电设计课程设计报告 题目：电压/频率变换器 姓名： 班级： 学号： 指导老师： 2011年 1 月12 日
1 绪论 （1）电压/频率转换即v/f转换，是将一定的输入信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。它的功能是将输入直流电压转换频率与其数值成正比的输出电压，故也称电压控制振荡电路。 如果任何一个物理量通过传感器转换成电信号后，以预处理变换为合适的电压信号，然后去控制压控振荡电路，再用压控振荡电路的输出驱动计数器，使之在一定时间间隔内记录矩形波个数，并用数码显示，那么可以得到该物理量的数字式测量仪表。 图1 数字测量仪表 电压/频率电路是一种模/数转换电路，它应用于模/数转换，调频，遥控遥测等各种设备。 （2）F/V转换电路 F/V转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号。这种电路主要包括电平比较器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。它有通用运放F/V转换电路和集成F/V转换器两种类型。 1.1设计要求 设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波的电路,要求包括：积分器；电压比较器和一个将给定频率的矩形波转换为直流电压的电路，要求包括：过零比较器、单稳态触发器、低通滤波器等。 1.2 设计指标 (1）输入为直流电压0-10V，输出为f=0-500Hz的矩形波。 （2）输入ui是0~10KHZ的峰-峰值为5V的方波，输出uo为0~10V的直流电压。 2 设计内容总体框图设计 2．1 V/F转换电路的设计 2.1.1 工作原理及过程 积分器和滞回比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图 2所示，比较器输出的矩形波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成矩形波，这样便可构成三角波，矩形波发生器。由于采用集成运放组成的积分电路，因此可以实现
稳压电荷泵和电感式DC/DC转换器的比较 电荷泵（也称为无电感式DC/DC转换器）是利用电容作为储能元件的特殊类型开关DC/DC转换器。与采用电感作为储能元件的电感式开关DC/DC转换器相比，电荷泵式转换器所具有的独特特点使其对于某些最终应用非常具有吸引力。本文将对比稳压电荷泵转换器与最常用的电感式DC/DC转换器(如电感式降压稳压器、升压稳压器以及单端初级电感式转换器(SEPIC))的结构和工作特点。 稳压式电荷泵转换器 最简单也是最常用到的电荷泵结构之一是倍压电荷泵。倍压电荷泵结构包括四个开关、一个用于存储和转移能量的外部电容(常称为“快速电容”)，以及一个外部输出电容(常称为“储能电容”)。 图1是倍压电荷泵的结构图。这种倍压电荷泵的工作由两个阶段组成——充电(能量储存)和放电(能量转移)。 在充电阶段，开关S1/S3闭合（导通），S2/S4打开（关断）。快速电容CF被充电到输入电压VIN，并储存能量，储存的能量将在下一个放电阶段被转移。储能电容CR，在上一个放电周期就已经被从CF转移过来的能量充电到2VIN 电压，并提供负载电流。 在放电阶段，开关S1/S3打开，S2/S4闭合。CF的电平被上移了VIN，而 CF在上一充电阶段已经充电至VIN，因此CR两端的总电压现在成为2VIN(这也是“倍压”电荷泵名称的由来)。然后，CF放电将充电阶段存储的能量转移到CR，并且提供负载电流。 充电/放电周期的频率取决于时钟频率。通常倾向于采用较高的时钟频率来降低对快速电容和储能电容容值的要求，从而减小体积。 图1所示简单倍压电荷泵没有对输出电压进行稳压，因此其输出电压随着输入电压和负载的变化而变化。对需要稳压电源的应用，这并不合适。然而，只需要增加一个简单的反馈回路就可以容易地解决这一问题。图2给出了一个非常简单的、具有稳定输出的倍压电荷泵，通常称为“稳压式电荷泵”。 图2中，增加了一个开关S5来对开关S2/S4提供更多控制。由 VOUT 经过电阻R1 和 R2分压后与高精度电压参考源的差值确定比较器输出，并由这一输出来控制S5的状态。比较器通常都内置滞后特性，以防止出现振荡。比较器、电阻分压器、参考电压和S5开关共同构成了反馈回路。反馈回路通过控制放电阶段中开关S5 和 S2/S4的开关状态来调整电荷泵的输出电压。
基于单片机的电压频率转换电路设计、装配与调试 1．电压频率转换电路 图3-13 LM331构成单片机V/F数据采集前向通道电原理图 1．电路工作原理分析 LM331片内能隙基准电路产生1.9V直流电压送到2脚，并钳位在1.9V上。当2脚外接R S+R S’，后形成基准电流i＝1.9/(R S+R S’)。本例i＝1.9/(12k+R S’)，i max＝1.9/12k＝158μA，i min＝1.9/17K＝112μA。 片内输入比较器的两个输入端：7脚接被测输入电压V IN。6脚为阈值电压V X,并与电流输出端1脚相连。外接R L、C L电路。片内定时比较器两个输入端：一个在片内通过R、2R电阻分别与V CC、GND相连；获得固定的比较电压2/3V CC。另一个输入端5脚接Rt、Ct相连；获得随Ct充电状态变化的电压V5。V5与2/3V CC 比较，当Ct充电到V5>2/3V CC时，定时比较器使片內R-S触发器复位。在R-S 触发器复位状态下电流开关断开，输出驱动晶体管截止，使Ct开始放电。片內R-S触发器与定时比较器和复位晶体管以及外接Rt、Ct构成一个单稳脉冲定时器。定时周期T＝1.1Rt×Ct。 当输入比较器的V IN>V X时，启动单稳脉冲定时器并导通频率输出晶体管，使3脚连接的光电耦合器导通。同时片内开关电源导通电流i通过1脚向C L充电，Vx逐渐升高；当Vx上升到V IN
注入C L 的平均电流IA VE ＝i ×t ×fout 严格地等于Vx ／R L 。IA VE ＝i ×t ×fout ＝ Vx/R L 。又V IN ≈V X ，故有： i ×t ×fout ≈ Vx/R L fout ＝t i R V L IN ??＝)'/(9.11.1RS RS C R R V t t L IN +???＝t L IN C Rt R RS RS V ???+?09.2） ’（ 根据已知电路参数R S +R S ’＝15k ，R L ＝100k ，Rt ＝6.8k ，Ct ＝0.01μF fout ≈000001.001.010008.6100010009.2001015????????IN V ＝1000VIN 可得当V IN =1V 时，fout=1000HZ 。V IN =10V 时，fout=10000HZ ，线性度可达0.01`％。 输入电压V IN 经一个R C 低通滤波器消除干扰，进入输入端7脚。R C 滤波器截止频率fo 为: fo ＝112C R V IN π=000001 .04.010*******.321?????≈16HZ R S 、R L 、Rt 和Ct 直接影响转换结果，对元件精度有一定要求，可根据转换精度适当选择。R S 、R L 、Rt 和Ct 要选用低温漂的稳定元件，C L 虽对转换结果无影响，但应选择漏电流小的电容。 3. 频率测量程序设计 LM331的3脚输出脉冲频率信号经光电耦合器隔离后，送入8031。由单片机程序对被测信号频率进行计数，或测定被测信号的周期，即可有两种方法。被测量信号频率fout ＝0～10KHZ ，当单片机系统时钟为6MHZ 时，T0或T1定时 脉冲fc=6MH Z ／12=500 KH Z ，由测频公式fout ＝ c x n n *fc (x n 为被测信号计数值，c n 为定时脉冲计数值)，当c n 固定时，为频率法，当x n 固定时，为周期法。 由于定时的起始、结束边沿与被测的计数脉冲边沿不同步，将出现±1个被测的计数脉冲的误差δ，误差δ与被测量信号频率fout 有关，fout 越低，误差δ越大。要实现高精度频率测量，可采用同步计数技术来改善误差δ。用频率低的被测信号来控制定时计数的起始、结束（同步），此时产生的±1个脉冲的误差δ为±1个频率高的定时计数脉冲，降低了误差δ。同步计数时序见图3-14，fout-