無論用於測試、測量還是終端電路,電子可變電容器通常只有幾百皮法(picofarads)的最大電容和有限的調節範圍。而這篇設計實例為我們展示了一個調節範圍寬、容量大的可變電容器。(參考上方大圖1:虛線框中的電路顯示了可變電容器拓撲結構。)

相關公式如下: EDNT181001_variablecapacitor_TA31F1

重排後得到: EDNT181001_variablecapacitor_TA31F2

因為: EDNT181001_variablecapacitor_TA31F0

我們可以忽略1,因此: EDNT181001_variablecapacitor_TA31F3

因為分母值很大,為了簡化,我們忽略最後一項,得到: EDNT181001_variablecapacitor_TA31F4

這類似於電容器的位移電流: EDNT181001_variablecapacitor_TA31F5

筆者使用OPA189是因為它的超低偏移電壓(offset voltage),OPA633則是因為其高輸出電流。

EDNT181001_variablecapacitor_TA31P2

圖2:可變電容實作。
(來源:Gheorghe Plasoianu)

利用電路圖中顯示的值: EDNT181001_variablecapacitor_TA31F6

改變電位計的值,我們得到100nF至4.8μF的電容。

EDNT181001_variablecapacitor_TA31P3

圖3:P1 = 3.2kΩ的模擬結果。
(來源:Gheorghe Plasoianu)

EDNT181001_variablecapacitor_TA31P4

圖4:Ic和Vc的實際波形。
(來源:Gheorghe Plasoianu)

為進一步測試,我在Vc和接地之間連接了一個2.2mH的線圈。該電路以1.87kHz的頻率振盪,與預期相符。

EDNT181001_variablecapacitor_TA31P5

圖5:2.2mH和3.3μF的振鈴(1.87kHz)。
(來源:Gheorghe Plasoianu)

運算放大器共模拒斥的影響

考慮由於R3~R6和R8~R11不匹配導致U1和U3輸出誤差源,我們得到: EDNT181001_variablecapacitor_TA31F7

重排、簡化並忽略“1”,得到: EDNT181001_variablecapacitor_TA31F8

由於分母的值非常大,我們可以忽略第二項。

但是,由於U1的共模拒斥比(CMRR)而引起的誤差不容忽視。U1的差分輸入電壓非常小(Vc-VO),而共模輸入電壓很高,即Vc

由於電阻不匹配,CMRR為: EDNT181001_variablecapacitor_TA31F9

其中是Gd差動增益(differential gain)。

R3~R6使用0.1%電阻,CMRR會是54dB。

本文同步刊登於EDN電子技術設計2018年10月平面雜誌;責編:Judith Cheng

(參考原文: Electronically-variable capacitor with wide range and high value,by gheorghe plasoianu)