用於 200mA 負載的高精度、低雜訊穩壓器

作者: Analog Devices Michael B. Anderson

精準型類比電路設計者常常依靠屈居一角的電壓參考來為其 DAC 和 ADC 轉換器供電。這項工作其實已經超出了電壓參考的基本職責範圍,因為電壓參考本來只是為了給實際的電源(即電源轉換器的參考輸入)提供一個乾淨、精確和穩定的電壓而設計。在遵循一些注意事項的情況下,採用電壓參考通常也能完成供電任務,因而面對電流日益攀升的應用,設計者更加願意使用電壓參考進行供電。畢竟,如果電壓參考能夠為轉換器供電,那麼,為什麼不可以為類比訊號鏈路或其他轉換器、還有更多的零組件供電呢?

在所有的設計過程中,時常需要在精準度和功率之間做出選擇。做出這個決定的"暴力"型方法是:在需要精確度時使用電壓參考,而當需要毫瓦級功率時則採用穩壓器。這種做法除了增加所需電路板空間和成本之外,還必須透過特定路徑單獨傳送訊號,即使這些訊號的標稱電壓相同也是如此。而且,假如需要一個高精確度電壓源以提供毫瓦級功率,那麼設計者就不得不對參考進行緩衝。LT6658 提供兩個低雜訊、高精確度輸出,和一個 200mA 總輸出電流,以及世界等級的參考規格,從而解除了這種兩難困境。

關於 LT6658 具備參考性能的低漂移穩壓器

LT6658 是一款精準型低雜訊、低漂移穩壓器,其兼具專用參考的準確度指標和線性穩壓器的供電能力。LT6658 擁有 10ppm/°C 的漂移和 0.05% 的初始準確度,具有兩個能夠分別支援 150mA 和 50mA 的輸出,它們各具 20mA 的有源電流吸收能力。為了保持準確度,負載調整率為 0.1ppm/mA。當輸入電壓電源接腳連接在一起時,電源電壓調整率通常為 1.4ppm/V,而當給輸入接腳提供單獨的電源時,電壓調整率則小於 0.1ppm/V。

為了更進一步瞭解 LT6658 的功能特性以及它實現其性能水準的工作方式,圖 1 所示為一種典型應用。LT6658 由一個頻隙級、一個降噪級和兩個輸出緩衝器構成。頻隙參考和兩個輸出緩衝器單獨供電,以提供傑出的隔離度。每個輸出緩衝器具有一個開爾文 (Kelvin) 感測回授接腳,以提供最佳的負載調整。

Figure 1
圖 1:典型應用

降噪級由一個 400Ω 電阻器組成,並提供了一個用於連接外部電容器的接腳。該 RC 網路起低通濾波器的作用,可限制頻隙級雜訊的頻寬。外部電容器可以是任意大,以將雜訊頻寬降至非常低的頻率。

針對負載階躍的快速和安靜的響應

作為穩壓器時,LT6658 從 VOUT1_F 接腳提供 150mA,並具有卓越的暫態響應性能。圖 2a 所示為對於一個從 10mA 至 11mA 的 1mA 負載階躍暫態的響應;圖 2b 則給出了針對一個從 10mA 至 150mA 的 140mA 負載階躍的暫態響應。輸出緩衝器的電流供應和吸收能力可實現輸出的快速穩定。瞬態響應時間是很短的,同時保持了卓越的負載調整率。負載調整率通常僅為 0.1ppm/mA。在 50mA 最大負載條件下,第二個輸出 (VOUT2_F) 具有相似的暫態響應。

Figure 2a
圖2: (a) 1mA 負載階躍

Figure 2b
圖2: (b) 140mA 負載階躍

輸出追蹤

如果應用具有多個採用不同電壓參考的轉換器,則即使輸出被設定為不同的電壓,LT6658 的輸出也會實現追蹤,從而確保一致的轉換結果。這是可以做到的,因為 LT6658 的兩個輸出是採用一個公共電壓源驅動的。輸出緩衝器經過微調,可以實現卓越的追蹤效果和低漂移。當 VOUT1_F 上的負載從 0mA 增至 150mA 時,VOUT2 輸出的變化小於 12ppm,如圖 3 所示。就是說:即使在負載和工作條件不斷變化的情況下,輸出之間的關係也會得到很好的保持。

Figure 3
圖 3:通道至通道負載調整率 (去除了溫升的影響)

電源抑制和隔離

為便於實現優異的電源抑制和輸出隔離,LT6658 提供了 3 個電源接腳。VIN 接腳負責來為頻隙電路供電,而 VIN1 和 VIN2 則分別為 VOUT1 和 VOUT2 供電。最簡單的方法是將全部 3 個電源接腳連接在一起,以提供 1.4ppm/V 的典型 DC 電源抑制。當電源接腳單獨連接時,VIN1 電源切換,針對 VOUT2 的 DC 電源電壓調整率為 0.06ppm/V。

表 1 匯總了當每個電源接腳上的電壓從 5V 變至 36V 時的電源抑制。VIN 電源的靈敏度最高,在輸出端上引起 1.4ppm/V 的典型變化。電源接腳 VIN1 和 VIN2 幾乎不產生影響。表 1 的 VIN1 和 VIN2 列中的測量值是在輸出雜訊電平條件下獲得的。

表 1: DC 電源抑制
階躍電源 VIN2
(5 V to 36 V)
VIN1
(5 V to 36 V)
VIN
(5 V to 36 V)
VIN = VIN1 = VIN2
(5 V to 36 V)
單位
旁路 0.01 0.02 1.36 1.36 ppm/V
VOUT1 0.07 0.01 1.34 1.43 ppm/V
VOUT2 0.03 0.06 1.39 1.37 ppm/V

圖 4 所示為 AC PSRR 的兩個例子。第一個例子在 NR 接腳上具有一個 1µF 電容器,而第二個例子則在 NR 接腳上佈設了一個 10µF 電容器。較大的 10µF 電容器將 107dB 抑制擴展到 2kHz。

Figure 4
圖 4:電源漣波抑制

圖 5 所示為從 VIN1 至 VOUT2 的 AC 通道至通道電源隔離。這裡,當 CNR = 10μF 時,通道至通道電源隔離在超過 100kHz 的頻率條件下大於 70dB。

Figure 5
圖 5:通道至通道 VOUT1 至 VOUT2 隔離

負載暫態對相鄰輸出產生的影響極小。圖 6a 和 6b 示出了通道至通道輸出隔離。一個輸出在 50mVRMS 上擺動,繪製的曲線表示另一個輸出緩衝器中的變化。

Figure 6a
圖 6a: 通道至通道 VOUT1 至 VOUT2 負載隔離。

Figure 6b
圖 6b: 通道至通道 VOUT2 至 VOUT1 負載隔離。

採用圖 7 所示電路可實現傑出的 AC PSRR 性能指標。VOUT1 輸出自舉電源 VIN 和 VIN2,從而產生一個遞迴參考。

Figure 7a
圖 7:(a) 遞迴參考解決方案 (VOUT1 向 VIN 和 VIN2 供電);

Figure 7b
圖 7:(b) 遞迴參考電路的 AC PSSR

電源管理和保護

3 個電源接腳有助於控制封裝中消耗功率的多少。當提供大電流時,降低電源電壓以最大限度減少 LT6658 中的功耗。輸出元件兩端將出現較低的電壓,因而可實現較低的功耗和較高的效率。

輸出停用接腳 OD 負責關斷輸出緩衝器,並將 VOUT_F 接腳置於高阻抗狀態。這樣的做法,在發生故障的情況下是很有用的。例如,負載可能損壞和短路。外部電路可以感測到這種情況,此時可以將兩個輸出全部停用。該功能也可以忽略,當 OD 接腳浮置或連接至高位準時,一個弱上拉電流將啟用輸出緩衝器。

LT6658 採用 MSE-16 裸露焊墊封裝,ѲJA 低至 35°C/W。當電源電壓為高時,電源效率較低,因而在封裝中產生過多的熱量。例如,在滿負載時,一個 32.5V 的電源電壓將在輸出器件上產生 30V • 0.2A 的過量功率。6W 的過量功率將使內部晶片溫度上升至比環境溫度高 210°C 的危險水準。為了保護元件,當晶片溫度超過 165°C 時,熱保護電路將停用輸出緩衝器。

雜訊

對資料轉換器和其他高精確度應用而言,雜訊是一個重要的考慮因素。透過在 NR (降噪) 接腳上增設一個電容器,低雜訊 LT6658 的雜訊甚至可以變得更低。NR 接腳上的電容器與一個晶片上 400Ω 電阻器一起,形成一個低通濾波器。大電容器降低了濾波器頻率,於是,降低了總的綜合雜訊。圖 8 所示為增大 NR 接腳上的電容器值所產生的效果。當採用一個 10μF 電容器時,雜訊降至大約為 7nV/√Hz。

Figure 8
圖 8:透過增大 CNR 以實現降噪

透過增大輸出電容器,可進一步地降低雜訊。當 NR 和輸出電容器都增大時,輸出雜訊可以降低到幾微伏。LT6658 可在採用介於 1μF 和 50μF 之間的輸出電容時保持穩定。如果並聯放置一個 1μF 的陶瓷電容器,那麼輸出在採用較大的電容時也可以是穩定的。例如,圖 9a 顯示了一個 1μF 陶瓷電容器與一個 100μF 聚合鋁電容器相並聯的電路。這種配置在降低雜訊頻寬的同時仍然保持穩定。圖 9b 所示為針對不同輸出電容值的雜訊回應。在所有三種情況下,都有一個小的 1µF 陶瓷電容器與一個較大的電容器相並聯。

Figure 9a
圖 9:通過增大 C1 以實現降噪

Figure 9b
圖 9:通過增大 C1 以實現降噪

這種方案的一個缺陷是雜訊峰值,雜訊峰值會增加總的綜合雜訊。為了降低雜訊峰值,可以插入一個與大的輸出電容器相串聯的 1Ω 電阻器,如圖 10a 所示。輸出電壓雜訊和總的綜合雜訊分別示於圖 10b 和 10c。

Figure 10a
圖 10:透過增設一個與 C2 串聯的 1Ω 電阻器以降低雜訊峰值。

Figure 10b
圖 10:透過增設一個與 C2 串聯的 1Ω 電阻器以降低雜訊峰值。

Figure 10c
圖 10:透過增設一個與 C2 串聯的 1Ω 電阻器以降低雜訊峰值。

應用

LT6658 為諸多要求嚴苛的應用提供了安靜、精準的功率。在混合訊號領域中,資料轉換器通常是由微控制器或 FPGA 控制的。圖 11 闡明了一般概念。感測器為類比處理電路和轉換器提供訊號,所有這些都需要乾淨的電源。微控制器可能具有若干個電源輸入,包括類比電源。

Figure 11
圖 11:混合信號應用

一般的規則是,應將微控制器的雜訊數位電源電壓與乾淨的精確類比電源和電壓參考隔離開來。LT6658 的兩個輸出提供了卓越的通道至通道隔離、電源抑制和供電電流能力,從而確保了向多個敏感的類比電路提供乾淨的電源。

另外,由於 LT6658 可以採用含雜訊的電源軌以及在負載產生毛刺干擾的場合中工作,所以它還非常適合工業環境,這是因為一個輸出上的轉換操作對於相鄰輸出的影響微乎其微。此外,當某個負載在一個輸出上需要電流時,相鄰的輸出繼續追蹤。

圖 12 所示為一個現實的例子,這裡,利用一個 LT6658 來運作 LTC2379-18高速 ADC 電路。對 VOUT2 上的開爾文檢測輸入進行配置,以將 2.5V 輸出提升至一個 4.096V 參考電壓,並為輸入放大器 LTC6362 提供一個共模電壓。VOUT1被提高至 5V,以向LTC6362和其他需要一個 5V 電源軌的類比電路供電。LT6658 的兩個輸出均分別在 VOUT1 和 VOUT2 上具有 150mA 和 50mA 的最大負載。

Figure 12
圖 12:資料擷取解決方案

如表 2 所示,該電路的 SNR、ENOB 和 THD 指標證實了 LT6658 所擁有的優異性能。

表 2: 取自圖 12 所示的資料擷取電路實例。
參數 16位元 SAR 18位元 SAR
訊號雜訊比
SNR
92.7 dB 97.5 dB
訊號對雜訊和失真比
SINAD
92.1 dB 95.9 dB
總諧波失真
THD
−101.2 dB −101.1 dB
無雜散動態範圍
SFDR
101.6 dB 103.2 dB
有效位數
ENOB
15.01 bits 15.64 bits

圖 13 中的電路說明了 LT6658 如何能夠在為雜訊數位電路供電的同時,還能保持一個用於高精確度 ADC 的安靜、精確的參考電壓。在該應用中,LT6658 或一個單獨的 LDO 在一個通道上為雜訊 FPGA 電源 (VCCIO) 和一些混雜邏輯電路提供一個 3.3V 電源軌,並在另一個通道上為 20 位 ADC 的參考輸入提供 5V 電源軌。

Figure 13
圖 13:雜訊數位測試實例電路

透過在 LT6658 和 LDO 之間切換數位電源,我們就能對 LT6658 使一個通道上的數位雜訊與驅動 20 位元 ADC 之安靜參考輸入的通道相隔離的效果做出評估。透過在 ADC 的輸入端上採用一個乾淨的 DC 電源,可推測雜訊,如圖 14 所示。如柱狀圖所示,由 LT6658 或 LDO 給 FPGA 的 VCCIO 接腳供電,測試結果之間並沒有顯著的差異,展現了 LT6658 堅固的穩壓和隔離性能。

Figure 14
圖 14:圖 13 所示電路的柱狀圖測試結果

結論

LT6658 是參考和穩壓器領域發展的下一步。對於精準型類比電源而言,精準的性能和從單個封裝提供 200mA 組合式電流的能力是一種模式轉移。雜訊抑制、通道至通道隔離、追蹤、和負載調整等諸多特點使這款產品成為精準型類比參考和電源解決方案的理想選擇。透過運用這種新方法,相關的應用都將不必再犧牲精度或功耗指標。


Author

Michael Anderson

Michael Anderson

Mike Anderson is a senior IC design engineer with Analog Devices and most recently with Linear Technology Corporation, where he works on signal conditioning products such as precision references and amplifiers. He previously worked as a senior member of technical staff and section lead at Maxim Integrated Products, designing ADCs and mixed-signal circuits. Prior to 1997, Mike worked at Symbios Logic as a principle IC design engineer designing high speed fiber channel circuits. He received a B.S.E.E. and an M.S.E.E. from Purdue University. Mike holds 16 patents and occasionally publishes articles.