Рассмотрены способы управления эквивалентным сопротивлением RLC-элементов за счет использования повторителей напряжения, в цепь обратной связи которых через регулятор коэффициента передачи включен R-, L- или C-элемент. Также рассмотрены альтернативные способы управления параметрами RLC-элементов посредством их коммутации внешними управляющими сигналами регулируемой частоты или импульсами прямоугольной формы с регулируемым коэффициентом заполнения.
Регулирование параметров RLC-элементов продуктивно используют в практике радиоэлектронного приборостроения. Резистивные регуляторы и датчики, а также элементы, их имитирующие, используют для ручного или автоматизированного регулирования различного рода параметров технических устройств. Конденсаторы и индуктивности с механической или электронной перестройкой используют для настройки колебательных контуров приемных устройств и фильтров различного назначения.
Преимущественное распространение в силу традиций и простоты практической реализации получили ручные регуляторы параметров RLC-элементов. В то же время все более отчетливо проявились свойственные традиционным механически управляемым RLC-элементам недостатки: низкая надежность, малый диапазон перестройки, большие габариты, высокая стоимость.
В связи с прогрессирующей миниатюризацией элементов электронной техники существенно возрос интерес к возможности создания малогабаритных электрически или механически управляемых RLC-элементов (Z-элементов) и их аналогов.
Одним из первых, кто обратил внимание на то, что при определенных условиях эквивалентная емкость конденсатора постоянной емкости может существенно возрастать, стал физик, инженер-электрик Национального бюро стандартов США Джон Мильтон Миллер (John Milton Miller, 1882–1962). Начиная с 1919 г. в экспериментах с вакуумными триодами он обнаружил рост эффективной емкости между входом и выходом инвертирующего усилителя пропорционально коэффициенту передачи данного усилителя [1].
В современной трактовке эффект Миллера формулируется как возрастание эквивалентной емкости конденсатора, включенного между входом и выходом инвертирующего усилителя, в (1 + K) раз, где K – коэффициент усиления.
Как было показано в последующие годы подобным способом можно управлять параметрами не только конденсаторов, но и резисторов и индуктивностей. В тех же условиях с ростом коэффициента усиления К инвертирующего усилителя величины эквивалентного сопротивления или индуктивности меняются пропорционально 1/(1 + K) раз, Рисунок 1а.
 |
|
| Рисунок 1. | Управление параметрами RLC-элементов (Z-элементов) с использованием: (а) эффекта Миллера; (б) повторителя напряжения, в цепь обратной связи которого через регулятор коэффициента передачи включен R-, L- или C-элемент; (в) повторителя напряжения с регулятором коэффициента передачи на входе; (д) регулируемого элемента задержки, включенного между повторителем напряжения и регулятором коэффициента передачи в цепи обратной связи. |
Различные способы электронного регулирования параметров RLC-элементов рассмотрены также в работах [2–9], Рисунки 1 и 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Управление параметрами RLC-элементов с использованием: (а) высокочастотной или (б) широтно-импульсной коммутации Z-элемента |
В частности, в статье сотрудника и затем президента корпорации JMR Electronics Corp., Bayside, Нью-Йорк, Джозефа Гаона (Joseph Gaon, ?–1986) было показано, что эквивалентная емкость конденсатора уменьшается при подаче на одну из его обкладок напряжения обратной связи. Это напряжение совпадает по фазе с входным напряжением, но может иметь различную величину, регулируемую потенциометром [3].
В публикациях в.н.с., д.т.н. Института механики УдмФИЦ УрО РАН А.И. Коршунова рассмотрены способы высокочастотной коммутации конденсаторов и индуктивностей, позволяющие плавно регулировать их эквивалентную емкость и индуктивность [4–6].
В работе [8] показана возможность повышения эквивалентного сопротивления резисторов на 1–2 порядка за счет дозированного в соответствии с шириной управляющего импульса прерывания тока в резисторе. Такой же подход может быть применим в отношении конденсаторов и индуктивностей.
В одной из недавних публикаций внештатного сотрудника и консультанта фирм Agilent Technologies, Catalyst Semiconductor и ряда других организаций США Стивена У. Вудворда для регулирования параметров RLC-элементов использован вариант схемы Миллера на двух операционных усилителях с переменным (от +1 до –1) коэффициентом передачи [9]. Для регулирования параметров RLC-элементов с «висящими» выводами в работе [9] использованы 4 операционных усилителя.
Рассмотрим далее возможность управления параметрами RLC-элементов с использованием повторителей напряжения. По определению идеальный повторитель напряжения имеет бесконечно высокое входное и бесконечно малое выходное сопротивление, коэффициент передачи, равный единице, и нулевой фазовый сдвиг выходного сигнала.
На практике подобные условия выполняются с определенным приближением. В качестве повторителей напряжения могут быть использованы катодные, эмиттерные, истоковые повторители, а также повторители напряжения на операционных усилителях, Рисунок 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Варианты повторителей напряжения для управления параметрами RLC-элементов. |
Если к выходу повторителя подключить резистивный делитель напряжения – потенциометр, Рисунки 1 и 3, и между движком этого потенциометра и входом повторителя включить Z-элемент, то эквивалентное сопротивление этого элемента будет меняться в зависимости от положения движка потенциометра.
В частности, если использовать в качестве Z-элемента конденсатор, переменное или постоянное напряжение на его обкладках можно регулировать от нуля до максимально возможного, равного входному, напряжения. Таким образом эквивалентная емкость конденсатора будет меняться от номинального значения до практически нулевого значения по формуле
где KПЕР – коэффициент передачи от входа повторителя до движка потенциометра, KПЕР = 0…1.
Если в качестве Z-элемента используют резистор или индуктивность, то, напротив, эквивалентное сопротивление или индуктивность этих элементов будет теоретически возрастать от номинального значения до бесконечности по формулам:
и
Пример выполнения такого устройства показан на Рисунке 1б. Разновидностью способа регулирования коэффициента передачи повторителя напряжения является включение регулирующего потенциометра не на его выходе, а на входе, Рисунок 1в.
Еще одним из регуляторов параметров RLC-элементов на основе повторителя напряжения является устройство, приведенное на Рисунке 1г, где между выходом повторителя и потенциометром включена регулируемая линия задержки (фазозвращатель), меняющая напряжение обратной связи, приложенное к Z-элементу.
На Рисунке 2 показаны альтернативные способы регулирования параметров RLC-элементов. Это периодическое шунтирование или отключение таких элементов при помощи высокочастотной или широтно-импульсной коммутации Z-элемента. Для задания границ регулировки и развязки компонентов схемы по постоянному и переменному току Z-элементы могут быть включены как последовательно, так и параллельно другим Z-элементам.
Варианты повторителей напряжения, позволяющее регулировать параметры RLC-элементов за счет регулировки их коэффициента передачи, приведены на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 4. | Фильтр верхних частот с использованием аналога конденсатора переменной емкости Дж. Гаона. |
В порядке сравнения на Рисунках 4 и 5 показаны примеры выполнения фильтра верхних частот с использованием аналога конденсатора переменной емкости Дж. Гаона, содержащего 4 транзистора [3], и фильтра аналогичного построения на основе повторителя напряжения, Рисунок 3.
 |
|
| Рисунок 5. | Фильтр верхних частот с использованием аналога конденсатора переменной емкости на основе повторителя напряжения и его амплитудно-частотные характеристики. |
При регулировке потенциометра R3 обеспечивается как выделение, так и подавление входного сигнала в пределах до 40…60 дБ в определенной частотной области, границу которой можно смещать потенциометром R6. Амплитудно-частотные характеристики фильтра приведены на Рисунке 5. Завал, наблюдаемый в области верхних частот, обусловлен частотными свойствами операционного усилителя LM324.
На Рисунке 6 приведены схемы КМОП-генераторов прямоугольных импульсов, частоту генерации которых можно менять в широких пределах за счет регулируемого коэффициента обратной связи. В первом случае для регулировки эквивалентной емкости частотозадающего конденсатора использован истоковый повторитель на транзисторе VT1 2N7000 (схема слева), во втором – элемент «НЕ» микросхемы CD40106 (справа).
 |
|
| Рисунок 6. | Лабораторные генераторы импульсов для регулировки эквивалентной емкости частотозадающего конденсатора с использованием: (а) повторителя напряжения и (б) элемента «НЕ». |
Регулировкой потенциометра можно менять эквивалентную емкость конденсатора C2 более чем в 100 раз. Пределы перекрытия зависят от коэффициента передачи истокового повторителя. Для сравнения емкости реального конденсатора и конденсатора с электрически варьируемой емкостью использован составной конденсатор переменной емкости C1, переключаемый при помощи переключателя SA1. Этот конденсатор выполнен в виде батареи (набора) конденсаторов сравнения, позволяющей подобрать емкость, равноценную емкости электрически управляемого конденсатора C2.
Варианты схем регулирования эквивалентной емкости времязадающих конденсаторов продемонстрированы на Рисунках 7а–7в. В первом случае, Рисунок 7а, эквивалентная емкость конденсатора C1 при регулировке потенциометра R3 понижается от 100 до 5 % от номинала. Для генераторов (инвертирующие каскады), Рисунок 7б, в, эквивалентная емкость конденсатора C1 при регулировке потенциометра повышается от 100 до 200% от номинала в соответствии с выражением CЭКВ = C1(1 + K) раз, где K – коэффициент передачи (K = 0…1).
 |
|
| Рисунок 7. | Генераторы импульсов регулируемой частоты с использованием: (а) повторителя напряжения; (б) элемента «НЕ»; в) инвертирующего каскада. |
На Рисунке 8 показан альтернативный способ управления эквивалентной емкостью времязадающего конденсатора за счет использования высокочастотной коммутации импульсами прямоугольной формы вспомогательного конденсатора C1. В качестве электрически управляемого ключевого элемента может быть использован КМОП-коммутатор, например, элемент DA1.1 микросхемы CD4066. При изменении коэффициента заполнения коммутирующих импульсов D от 6 до 85% частотой 500 кГц частота выходного сигнала регулируется в пределах от 0.3 до 125 кГц.
 |
|
| Рисунок 8. | Генератор импульсов, частоту которого регулируют внешним ШИМ-сигналом. |
На Рисунке 9 показан еще один способ управления эквивалентный емкостью времязадающего конденсатора C1 в составе схемы дискретно-регулируемого делителя частоты на целочисленное нечетное число. Генератор выходных импульсов с внешним управлением выполнен на элементе DD1.2 микросхемы CD40106. На левую по схеме обкладку времязадающего конденсатора C1 с выхода элемента DD1.2 через потенциометр R3 подается управляющий сигнал с частотой 10 кГц и коэффициентом заполнения импульсов 50%. При регулировке потенциометра R2 частота сигналов на выходе устройства относительно входной делится на нечетное количество раз от 1 до 33. При использовании иной частоты входного сигнала потребуется корректировка номинала конденсатора C1.
 |
|
| Рисунок 9. | Дискретно-регулируемый делитель частоты на целочисленное нечетное число. |
Напряжение питания рассмотренных выше схем равно 10 В.
Недостатком большинства рассмотренных выше устройств является то, что один из выводов Z-элемента (например, конденсатора) должен быть через небольшое сопротивление регулирующего элемента (потенциометра) подключен к общей шине.
 |
|
| Рисунок 10. | Пример использования в генераторе импульсов электронного аналога конденсатора регулируемой емкости с незаземленными обкладками. |
Частично исправить этот недостаток можно за счет использования устройства, показанного на Рисунке 10. Конденсаторы С2 (батарея конденсаторов сравнения) или С3 (времязадающий конденсатор) через резисторы R2 и R3 подключены к регулирующим элементам операционного усилителя DA1.1 LM324.
В среднем положении движка потенциометра R2 частоту генерации устройства перемещением движка потенциометра R4 можно менять от 0.75 до 3.9 кГц.
Литература
- Miller J.M. Dependence of the input impedance of a three-electrode vacuum tube upon the load in the plate circuit // Scientific Papers of the Bureau of Standards, 1920, Vol.15, № 351, P. 367–385.
- Sheingold D.H. Impedance and admittance transformations using operational amplifiers // The Lightning Empiricist, 1964, Vol. 12, № 1, P. 1,2,7,8.
- Gaon J. Feedback turns fixed capacitor into variable capacitance // Electronics, 1966, Vol. 39, № 24 (Nov. 28). P. 80; Обратная связь меняет «емкость» конденсатора // Радио, 1968, № 4, С. 60.
- Коршунов А.И. Плавное регулирование емкости конденсаторов // Силовая электроника, 2014, № 4 (49), С. 36–40.
- Коршунов А.И. Импульсное регулирование емкости конденсаторов // Известия вузов. Сер. Приборостроение, 2015, Т. 58, № 6, С. 463–472.
- Коршунов А.И. Плавное регулирование параметров электрических цепей. Регулирование индуктивности // Силовая электроника, 2018, № 5 (74), С. 54–59.
- Plasoianu Gh. Electronically-variable capacitor with wide range and high value // EDN. – June 20, 2018.
- Шустов М.А. Верньерный ГСТ капельного типа на диапазон 10–6…10–11 А.
- Woodward S.W. Synthesize variable in-circuit Rs, Ls, and Cs // EDN. – February 19, 2019.
Купить CD4001B на РадиоЛоцман.Цены
