É possível usar os circuitos simples de condensador de diodo descritos acima para duplicar a tensão de uma fonte DC, precedendo o duplicador de tensão com um circuito de helicóptero. Com efeito, isto converte a DC para AC antes da aplicação ao duplicador de tensão. Circuitos mais eficientes podem ser construídos conduzindo os dispositivos de comutação a partir de um relógio externo para que ambas as funções, o corte e a multiplicação, sejam alcançadas simultaneamente. Tais circuitos são conhecidos como circuitos condensadores comutados. Esta abordagem é especialmente útil em aplicações alimentadas por baterias de baixa tensão, onde os circuitos integrados requerem uma alimentação de tensão superior à que a bateria pode fornecer. Frequentemente, um sinal de relógio está prontamente disponível a bordo do circuito integrado e pouco ou nenhum circuito adicional é necessário para gerá-lo.
Conceptualmente, talvez a configuração mais simples do condensador comutado seja a que é mostrada esquematicamente na figura 5. Aqui dois condensadores são carregados simultaneamente à mesma tensão em paralelo. A alimentação é então desligada e os condensadores são comutados em série. A saída é tomada através dos dois condensadores em série, resultando numa saída com o dobro da tensão de alimentação. Existem muitos dispositivos de comutação diferentes que poderiam ser usados em tal circuito, mas em circuitos integrados são frequentemente empregados dispositivos MOSFET.
Outro conceito básico é a bomba de carga, cuja versão é mostrada esquematicamente na figura 6. O condensador da bomba de carga, CP, é carregado pela primeira vez na tensão de entrada. Em seguida, ele é comutado para carregar o capacitor de saída, CO, em série com a tensão de entrada, resultando no CO eventualmente sendo carregado para o dobro da tensão de entrada. Pode demorar vários ciclos até que a bomba de carga consiga carregar totalmente o CO, mas depois de atingido o estado estacionário só é necessário que o CP bombeie uma pequena quantidade de carga equivalente à que está sendo fornecida à carga de CO. Enquanto o CO é desconectado da bomba de carga, ele descarrega parcialmente na carga resultando em ondulação na tensão de saída. Esta ondulação é menor para frequências de relógio mais altas, uma vez que o tempo de descarga é menor, e também é mais fácil de filtrar. Alternativamente, os condensadores podem ser reduzidos para uma determinada especificação de ondulação. A frequência de relógio máxima prática nos circuitos integrados está tipicamente nas centenas de kilohertz.
Bomba de carga DicksonEdit
A bomba de carga Dickson, ou multiplicador Dickson, consiste em uma cascata de células de díodos/capacitores com a placa inferior de cada capacitor acionada por um trem de pulso de relógio. O circuito é uma modificação do multiplicador Cockcroft-Walton, mas toma uma entrada DC com os trens do relógio fornecendo o sinal de comutação em vez da entrada AC. O multiplicador Dickson normalmente requer que células alternadas sejam acionadas a partir de pulsos de relógio de fase oposta. Entretanto, como um duplicador de tensão, mostrado na figura 7, requer apenas um estágio de multiplicação, apenas um sinal de clock é requerido.
O multiplicador Dickson é freqüentemente empregado em circuitos integrados onde a tensão de alimentação (de uma bateria, por exemplo) é menor do que a requerida pelo circuito. É vantajoso na fabricação de circuitos integrados que todos os componentes do semicondutor sejam basicamente do mesmo tipo. Os MOSFETs são normalmente o bloco lógico padrão em muitos circuitos integrados. Por este motivo, os díodos são frequentemente substituídos por este tipo de transistor, mas com fio para funcionar como um diodo – um arranjo chamado MOSFET com fio de diodo. A Figura 8 mostra um duplicador de tensão Dickson usando o tipo MOSFETs de melhoramento de n canais com fio de diodo.
Existem muitas variações e melhorias na bomba de carga básica Dickson. Muitas delas estão preocupadas em reduzir o efeito da tensão da fonte de drenagem do transistor. Isto pode ser muito significativo se a voltagem de entrada for pequena, como uma bateria de baixa voltagem. Com elementos de comutação ideais a saída é um múltiplo integral da entrada (dois para um duplicador) mas com uma bateria de célula única como fonte de entrada e comutadores MOSFET a saída será muito inferior a este valor, uma vez que grande parte da voltagem será reduzida através dos transístores. Para um circuito que utiliza componentes discretos, o díodo Schottky seria uma melhor escolha de elemento de comutação pela sua queda de tensão extremamente baixa no estado ligado. Entretanto, os projetistas de circuitos integrados preferem usar o MOSFET facilmente disponível e compensar suas inadequações com o aumento da complexidade do circuito.
Como exemplo, uma célula de bateria alcalina tem uma voltagem nominal de 1,5 V. Um duplicador de tensão utilizando elementos de comutação ideais com queda de tensão zero, irá produzir o dobro desta tensão, nomeadamente 3,0 V. No entanto, a queda de tensão da fonte de drenagem de um MOSFET com díodo quando este está no estado ligado deve ser pelo menos a tensão limite da porta, que normalmente pode ser de 0,9 V. Este “duplicador” de tensão só conseguirá aumentar a tensão de saída em cerca de 0,6 V para 2,1 V. Se a queda ao longo do transistor de alisamento final também for tida em conta, o circuito pode não ser capaz de aumentar a tensão de forma alguma sem utilizar múltiplos estágios. Um típico díodo Schottky, por outro lado, pode ter uma tensão de estado ligado de 0,3 V. Um duplicador usando este díodo Schottky resultará numa tensão de 2,7 V, ou na saída após o díodo de alisamento, 2,4 V.
>
Condensadores comutados acoplados cruzadosEditar
Capacitores comutados transversalmente entram em circuitos próprios para tensões de entrada muito baixas. Equipamentos sem fio acionados por bateria, como pagers, dispositivos Bluetooth e similares, podem requerer uma bateria de célula única para continuar a fornecer energia quando descarregada a menos de um volt.
Quando o relógio ϕ 1 {\i_phi _{\i} {\i}
é baixo transistor Q2 é desligado. Ao mesmo tempo o relógio ϕ 2 {\i_phi _{\i}
é alta rotação no transistor Q1 resultando no condensador C1 sendo carregado para Vin. Quando ϕ 1 {\fi _{\fi _\fi}
vai alto a placa superior de C1 é empurrada para cima até duas vezes Vin. Ao mesmo tempo, o interruptor S1 fecha para que esta tensão apareça na saída. Ao mesmo tempo, o Q2 é ligado permitindo que o C2 carregue. No próximo meio ciclo os papéis serão invertidos: ϕ 1 {\i1}displaystyle {\i _{\i} {\i1}
será baixo, ϕ 2 {\i _2}displaystyle {2}
será alto, S1 abrirá e S2 fechará. Assim, a saída é fornecida com 2Vin alternadamente de cada lado do circuito.
A perda é baixa neste circuito porque não há MOSFETs com fio de diodo e seus problemas de tensão limite associados. O circuito também tem a vantagem de que a frequência de ondulação é duplicada porque há efetivamente dois duplicadores de tensão alimentando a saída dos relógios fora de fase. A principal desvantagem deste circuito é que as capacidades de desvio são muito mais significativas do que com o multiplicador Dickson e são responsáveis pela maior parte das perdas neste circuito.