200 mA精密基准电压源的众多用途

LT6658不是普通的基准电压源或稳压器,因为它能同样出色地执行这两种功能。此外,由于架构布局独特,其作用不仅仅是提供精密电压和充足的电流。本文将讨论的以下电路展示了广泛的电路可能性。虽然本文说明了不少应用,但毫无疑问,肯定存在本文未明确实现的其他应用,LT6658对这些应用来说也会是非常有效的解决方案。作为一款既是基准电压源又是稳压器的产品,LT6658被称为Refulator™。

Refulator旨在用于需要精密基准电压源且能够为相关信号链器件(如数据转换器、放大器、桥式传感器和其他高性能电路器件)供电的设计。

简介

下面的主要规格和特性列表说明了LT6658的性能。基准电压源的主要规格包括10 ppm/°C的漂移和0.05%的初始精度。稳压器的主要规格包括0.25μV/mA的负载调整率,两路输出的拉电流为150 mA和50 mA。出色的PSRR、低噪声、输出跟踪和降噪引脚相结合,将基准电压源和稳压器二者的最佳特性整合到一个封装中。

双路输出:

  • 拉电流:150 mA和50 mA
  • 灌电流:20 mA/缓冲器
  • 漂移:10 ppm/°C
  • 精度:0.05%
  • 负载调整率:0.25μV/mA
  • 输出跟踪:±150 μV
  • PSRR:>100 dB (10 Hz)
  • 0.1Hz至10 Hz噪声:1.5 ppm p-p
  • 最大电源电压:36 V
  • 降噪引脚
  • 输出禁用引脚
  • 电流保护
  • 热保护
  • 小尺寸
  • 温度范围:−40°C至+125°C

LT6658的典型应用如图1所示。内部框图显示,带隙功能之后是可选滤波器功能,然后是两个缓冲器,其同相输入连接在一起。在此应用中,缓冲器的反相输入VOUT1_S和VOUT2_S连接到输出VOUT1_F和VOUT2_F, 作为具有开尔文检测功能的电压跟随器。

LT6658与许多基准电压源和稳压器的不同之处在于,它具有一个A/B类输出级,能够主动灌电流和拉电流。此外,它还能驱动1μF至50μF或更高的容性负载。将1μF陶瓷电容与大电容并联放置在输出端时,大容性负载即可保持稳定。

Figure 1
图1. LT6658典型应用。

调整输出缓冲器以使漂移最小,从而在工作和负载条件下实现出色的跟踪。完整数据手册及规格参见 此处

简单的输出配置和应用

由于反相输入可用,因此可将其配置为非单位增益,如图2所示。LT5400-4 的匹配精度为0.01%,故LT6658的精度可保持不变。该示例提供精确的5 V和2.5 V电压轨,可用作±2.5 V稳压器应用,分离电源地由2.5 V输出提供。非单位增益可应用于两路输出,以产生1 V至6 V之间的任何输出电压。

Figure 2
图2. 简单的非单位增益电路,产生±2.5 V分离电源及地。

利用反相输入可以从较高输出电压产生较低输出电压。图3演示了如何通过3.3 V输出产生1.8 V输出。由于同相输入连接到2.5 V,因此可以轻松产生较低的输出电压。VOUT2_F的表达式为:

Equation 1

其中,RF1和RF2是缓冲器反馈电阻,RIN1和RIN2是缓冲器输入电阻。

Figure 3
图3. 具增益和反相功能的应用。

此应用中唯一受影响的参数是精度,其取决于R F/R I N的比率。此外,该应用还演示了如何将BYPASS输出用作±10 mA拉电流和灌电流输出。请注意,BYPASS引脚上的任何变化都会直接影响VOUT1和VOUT2输出。

输出电压可以调整为2.5 V到6 V之间的值,如图4所示。调整可以利用机械或数字调整电位计完成。数字调整对校正ADC和DAC误差特别有帮助。调整电位计可以组合起来以产生同一输出电压,或者输出电压可以独立加以控制。

Figure 4
图4. 可调增益。

两个输出缓冲器提供了灵活性,一路输出可提供必要的电压,另一路输出可提供精密电流源,如图5所示。

Figure 5
图5. 精密电压源和精密电流源应用。

请注意,输出VOUT2_F引脚将比检测线路高一个VBE。应调整电源电压以适应VOUT2_F上的较高输出电压。每路输出都有一个独立电源输入,因此可以分别驱动这些输出以改善通道间隔离性能,或适应不同输出电压而不会消耗过多功率。

当基准电压源和振荡出现在同一句话里时,通常意味着不良行为发生。然而,为了突出说明LT6658的独特架构,图6a显示了多谐振荡器电路,图6b为所产生的波形。这里,2.2μF电容和1 kΩ电阻设置时间常数。400Ω外部正反馈电阻和400内部电阻设置迟滞并影响输出频率,其关系式大致为f = 1/2.2 RC。内部电阻的值为400Ω±15%,这会影响输出频率。

Figure 6a
图6a. 多谐振荡器应用。

Figure 6b
图6b. 多谐振荡器输出。

此电路示例显示输出电压摆幅略小于4 V,输出低电压低至0.9 V,输出高电压达到VIN - 2.5 V。此示例中的VIN为6 V,输出未满载。当VIN提高到8.5 V以上时,输出将箝位在6 V左右,输出占空比将降至约40%。

电流流过400Ω内部电阻,NR引脚的电压会发生变化,导致VOUT1也与VOUT2同步振荡。

另一个通常与基准电压源无关的动态电路是音频放大器。两路A/B类输出可以配置来驱动8Ω和16Ω扬声器,如图7所示。单端源驱动VOUT1的反相输入,继而驱动VOUT2的反相输入。带隙基准设置精密共模电压,而输出用作差分驱动器。要提高压摆率,LT6658上应使用最小输出电容。

Figure 7
图7. 音频应用电路。

通过增加互补分立BJT输出器件,图8中的电路可以提供更多功率。该电路仅显示一个放大器电路,但两路输出可以驱动两个扬声器以产生立体声。虽然有更好的音频放大器选择,但这些应用展示了LT6658架构的灵活性。

Figure 8
图8. 采用分立BJT的音频应用电路。

应变计应用

LT6658可用作稳压器和基准电压源,如以下应变计应用所示(图9)。LT6658为四个LTC2440提供基准电压和电源电压,2.5 V电压轨为四个应变计提供偏置。每个应变计消耗7.5 mA电流,总计消耗30 mA,完全在VOUT2的50 mA输出规格以内,并能提供ADC基准输入。VOUT1为每个LTC2440提供8 mA电流,总计32 mA。

Figure 9
图9. LT6658用作应变计应用的基准电压源和稳压器。

图10显示了具有三个称重传感器的桥式电路应用。即使总负载电阻仅为82Ω,需要60 mA电流,LT6658仍能精确稳定地工作。高增益缓冲器将维持一个能够驱动称重传感器的精密电压。第二路输出可以驱动另一个应变计或向下游ADC转换器供电。

Figure 10
图10. 桥式电路应用。

数据采集应用

对于使用DAC的精密应用(基准电流取决于数字码),必须特别注意电路板布局和寄生电阻。采用LTC2641时,为了维持INL < 0.1LSB,负载调整率需要小于19 ppm/mA。此外,基准输出阻抗和PCB电阻需要小于48 mW。LT6658的直流输出电阻约为0.2 mW,这为PCB电阻留下了47.8 mW的误差预算。

图11显示了使用两个精密16位DAC LTC2641的应用。LTC2641的基准电流取决于数字码,因此两个DAC基准输入需要单独的基准电压源。LT6658输出缓冲器出色的跟踪能力意味着DAC也有出色的跟踪能力。

如果只需要一个DAC,LT6658的第二路输出可以为DAC和其他精密模拟电路提供输入电压。

Figure 11
图11. LT6658驱动两个数字码相关的DAC基准输入。

LTC2323-16 是一款双通道16位ADC,具有独立的基准输入。每个 ADC可以有不同的基准电压。图12显示了一种配置,其中2.5 V和5 V基准电压驱动不同的基准输入。同样,LT6658输出缓冲器出色的跟踪能力使得转换结果也有很好的跟踪能力。

Figure 12
图12. LT6658驱动具有独立基准电压的双通道ADC LTC2323-16。

精密信号处理和调理可能涉及多个集成电路。在图13所示例子中,LT6658为18位转换器提供电源电压和基准电压。容性SAR转换器不断对内部电容阵列进行充电和放电。SAR转换器的动态基准电流可能会严重破坏基准电压源。LT6658可以通过提供精密电压来保持稳定性,而第二路输出可以提供精密功率。此外,LT6658具有为多个基准输入提供电压的电流驱动能力。换句话说,LT6658具有强大的基准扇出能力。

Figure 13
图13. 18位数据采集应用。

前述应用中的缓冲器为精密电路提供基准电压。一个合理的担忧是,一个缓冲器的输出上的活动是否会影响另一个缓冲器的输出。当NR引脚上有一个10μF电容时,在DC到1 kHz时,电源抑制能力大于100 dB。这是当VIN1和VIN2引脚连接在一起的时候。关于交流PSRR的详细信息,参见LT6658数 数据手册 。在DC至100 Hz时,输出电源的通道间隔离大于130 dB。

具有跟踪功能的多通道输出电源

多个LT6658的NR引脚可以连接在一起,形成一个具有跟踪功能的多通道精密电源。在图14所示例子中,四个LT6658的NR引脚连接在一起。由此产生的电源有八路跟踪输出。也就是说,由于所有NR引脚都连接在一起,因此每一个LT6658的输出缓冲器都将跟踪温度。图15a显示了精密调整的输出如何在很宽温度范围内进行跟踪。该图中的七条迹线与第一个VOUT1有关。这证明了输出缓冲器的低失调电压和低温漂移特性。

NR引脚连接在一起,缓冲器的输入电压相同,CNR电容器将组合成更大的值,从而减小带隙电路的噪声带宽。输出缓冲器产生的噪声密度频谱如图15b所示,噪声以输出缓冲器噪声为主,带隙噪声 在小于10 Hz的频率滚降。

此例显示所有通道都配置为单位增益。输出电压可配置为各种输出电压值。这些器件虽然共用NR引脚和电源电压,但仍能保持出色的PSRR、负载隔离和负载调整率。

Figure 14
图14. 并联NR引脚以实现具有输出跟踪功能的多通道电源。

Figure 15a
图15a. 跟踪。

Figure 15b
图15b. 输出电压噪声密度。

高电流、低温度系数电路

图16显示了 LTC6655-2.5 低噪声基准电压源如何过驱LT6658的NR引脚。结果得到一个双路输出、低温度系数(TC)、高电流基准电压源。该电路的一种变化是给其中一个通道增加增益并驱动LTC6655的VIN引脚。LTC6655-2.5需要500 mV的裕量,因此LT6658的一个缓冲器至少要提供3 V输出。

Figure 16
图16. 低漂移、高电流应用。

电源应用

缓冲器输出可以组合在一起,提供单路200 mA输出。电阻允许输出连接在一起而不会造成严重破坏。图17中电路的负载调整率受电阻值的限制,为3 ppm/mA。此外,器件的典型负载调整率为0.25μV/mA。电阻也可以调整以降低负载调整率。由于电阻值非常低,因此功耗不是问题。

电阻可以由印刷电路板走线构成。可以使用一两盎司的铜,或者配置0.01电阻的组合。该电路灌电流的比率与拉电流相同。

Figure 17
图17. 并联输出以提供200 mA输出。

两路输出会试图相互补偿,它们之间需要一定的电阻。两路输出之间的电压差可达±70μV。使用所示的0.01和0.03值,输出缓冲器之间最多有几毫安的电流流过。随着电阻值增大,此共享电流会减小。但是,大隔离电阻意味着负载调整率误差较大,如表1所示。

表1. 负载调整率是输出电阻的函数。
R1 (Ω) R2 (Ω) 负载调整率 (ppm/mA)
0.01 0.03 3
0.02 0.06 6
0.03 0.09 9
0.04 0.12 12
0.05 0.15 15

对于需要大量精密电流的应用,LT6658可与几个晶体管和镇流电阻结合使用,以产生精密、低噪声、5 A固定直流电源,如图18所示。

Figure 18
图18. 精密、低噪声、固定2.5 V、5 A电源电路。

进行一些修改,即可从图18所示电路获得可变电源,如图19所示。有一篇博客文章讨论了这种设计,参见 此处

Figure 19
图19. 精密、低噪声、1 V至5 V可变、5 A电源。

为RF电路供电

图20中的应用让LT6658提供电源,一路输出提高到3 V,另一路输出降低到1.4 V。它为I和Q信号放大器/滤波器和调制器提供电源。3 V输出为滤波器和调制器供电,1.4 V输出设置共模电压。LT6658的OD引脚用于使电路在发送和待机状态之间切换。

Figure 20
图20. 低功耗、低噪声I和Q信号放大器/滤波器和调制器。

递归基准电压源

虽然LT6658具有出色的电源抑制性能,但图21将电源抑制性能提升到一个新的水平。图21所示的递归基准电压源在VOUT2上产生一个输出,该输出与电源电压彻底隔离。VIN1和VIN由外部电源驱动,在VOUT1上产生5 V电源。一旦激活,VOUT1便接管为VIN供电的任务,随后VIN2将这些电源输入与外部电源隔离。

Figure 21
图21. a) 极端电源抑制电路;b) 递归基准电压源的交流电源抑制比。

如图21b中的曲线所示,在我们的测试设置限值下,可测量的低频电源抑制比超过140 dB。图中包含了一条理论曲线,其指示的是更有可能的电源抑制性能。

24位高分辨率ADC应用

AD7768-1 是一款精密24位Σ-Δ转换器,专为宽带宽、高密度仪器仪 表、能源和医疗健康设备而设计。AD7768-1是一款要求很高的转换器,需要低噪声、精密且稳定的基准电压源来驱动其基准输入引脚。对于此应用,LT6658的一路输出为模拟电源引脚AVDD1和AVDD2提供5 V电压,另一路输出为基准输入提供4.096 V电压。

Figure 22
图22. 由LT6658供电的24位同步采样Σ-Δ转换器。

在1 kHz输入信号音和最快可用采样速率下,得到的FFT如下图23所示。具体说来,4.096 V基准电压被分成488 nV的LSB。在测量结果中,任何噪声、纹波或馈通都会变得非常明显。

Figure 23
图23. AD7768-1和LT6658应用的FFT。

结论

本文结合若干应用考虑了LT6658的多功能性和灵活性。本文给出的应用使用2.5 V选项,但还有其他五种电压选项可用,即1.2 V、1.8 V、3 V、3.3 V和5 V。所有六种选项都有同样严格的特性,并经过ADI公司因之闻名的严格测试。

LT6658旨在满足那些希望从基准电压源获得更多电源电流的客户。两路输出似乎是明智的,而且有前述架构。如上文所述,此架构可用于各种应用。毫无疑问,我们的客户会发现许多其他应用LT6658的创新方法。

有关LT6658功能的更多信息,请访问我们的网站,查看《模拟对话》文章Refulator:200 mA精密基准电压源的能力

致谢

文章中的电路由A D I公司的众多人才提供、构建和测试。感谢Philip Karantzalis、Noe Quintero、Niall McGinley、Robert Keily和Tom Westenberg。还要感谢Aaron Schultz和Catherine Chang对这篇文章提供的有益反馈。感谢Brendan Whelan的评论和支持。

作者

Michael Anderson

Michael Anderson

Mike Anderson是ADI公司和凌力尔特公司(最近担任)的高级IC设计工程师,负责精密基准电压源和放大器等信号调理产品。他曾在Maxim Integrated Products担任高级技术人员和部门领导,负责设计ADC和混合信号电路。在1997年前,Mike在Symbios Logic担任原理IC设计工程师,主要负责设计高速光纤通道电路。他获得普渡大学电气工程学士学位和电气工程硕士学位。Mike拥有16项专利,偶尔发表文章。