Rauscharmer Linearregler für 200 mA Referenzspannungsquelle als Stromversorgung

Powermanagement und Schutzfunktionen

Die drei Stromversorgungsanschlüsse helfen dabei, die Verlustleistung im IC-Gehäuse zu verringern. Wenn ein großer Strom gefordert wird, sollte die Versorgungsspannung verringert werden, um die Verlustleistung im LT6658 zu minimieren. Damit sinkt die Spannungsdifferenz über der Ausgangsstufe, was in einem geringerem Leistungsbedarf und einem höheren Wirkungsgrad resultiert.

Ein Ausgangs-Deaktivierungspin, OD, schaltet die Ausgangsverstärker aus und versetzt die UA-Pins in einen hochohmigen Zustand. Dies ist nützlich, wenn ein Fehler auftritt. Ein am Ausgang angeschlossener Verbraucher kann z.B. beschädigt sein und einen Kurzschluss verursachen. Dieser Vorfall kann mit externen Schaltungen erfasst werden, um beide Ausgänge zu deaktivieren. Die Funktion kann auch ignoriert werden indem der OD-Anschluss unbeschaltet bleibt oder mit einem Widerstand auf Betriebsspannungspotenzial gelegt wird.

Der LT6658 wird in einem Gehäuse mit herausgeführter Metallfläche (Masse) zum Kühlen (MSE16 – Plastic Micro Small Outline Package, Exposed Die Pad), das einen Wärmewiderstand RThJU von nur 35 K/W aufweist. Ist die Versorgungsspannung hoch, ist der Wirkungsgrad gering, was zu übermäßiger Wärmeentwicklung im Gehäuse führt. Eine 32,5-V-Versorgungsspannung produziert z.B. bei voller Last eine Verlustleistung von 30 V × 0,2 A in den Ausgangsstufen. Eine Verlustleistung von 6 W würde die interne Temperatur auf gefährliche 210 K über die Umgebungstemperatur steigern. Um das Bauteil zu schützen, deaktiviert eine thermische Schutzschaltung die Ausgangsverstärker, wenn die Sperrschichttemperatur über 165 °C ansteigt.

Rauschen der Gleichspannung am Ausgang

Bei AD- und DA-Umsetzern und weiteren Präzisionsschaltungen gilt es, dem Rauschen eine besondere Beachtung zu schenken. Der rauscharme Refulator LT6658 kann durch Hinzufügen eines Kondensators an den NR-Pin (Noise Reduction) noch rauschärmer gemacht werden. Ein Kondensator am NR-Pin bildet mit dem internen 400-Ω- Widerstand ein Tiefpassfilter. Ein großer Kondensator senkt die Grenzfrequenz des Filters und nachfolgend das gesamte interne Rauschen. Bild 8 zeigt welche Wirkung unterschiedliche große Kondensatoren am NR-Pin haben. Mit einem 10-µF-Kondensator sinkt das Rauschen auf etwa 7 nV/√Hz.

Durch Erhöhen der Kapazität des Ausgangskondensators kann das Rauschen weiter reduziert werden. Wenn sowohl die Kapazität des NR- als auch des Ausgangskondensators erhöht werden, kann das Ausgangsrauschen auf wenige μV reduziert werden.

 

Bilder: 3

Rauschen der Gleichspannung am Ausgang, Bilder 8-10

Rauschen der Gleichspannung am Ausgang, Bilder 8-10

 

Der LT6658 arbeitet stabil mit einem Ausgangskondensator von 1 μF bis 50 μF. Der Ausgang ist auch mit einer großen Kapazität stabil, wenn ein 1-µF-Keramikkondensator parallelgeschaltet wird. Bild 9a zeigt eine Schaltung mit einem 1-µF-Keramikkondensator, der parallel mit einem 100-µF-Aluminium-Polymer-Kondensator geschaltet ist. Mit dieser Konfiguration arbeitet der LT6658 stabil, und verringert dabei die Rauschbandbreite. Bild 9b illustriert das Rauschverhalten bei unterschiedlichen Werten des Ausgangskondensators. In allen drei Fällen ist ein kleiner 1-µF-Keramikkondensator parallel mit einem größeren Kondensator geschaltet.

Nachteilig an dieser Methode ist jedoch, dass sich Rauschspitzen bilden, die sich zum gesamten integrierten Rauschen des ICs aufsummieren können. Um diese Rauschspitzen zu dämpfen, kann ein 1-Ω-Widerstand in Reihe mit dem großen Ausgangskondensator eingefügt werden, wie in Bild 10a gezeigt. Das Rauschen der Ausgangsspannung und das gesamte integrierte Rauschen mit dieser Ausgangsbeschaltung sind in den Bildern 10b bzw. 10c dargestellt.

Einsatz in Mixed-Signal-Schaltungen

Der LT6658 liefert eine ruhige und präzise Ausgangsspannung mit bis zu 200 mA Laststrom. Er eignet sich zum Versorgen einer ganzen Reihe von anspruchsvollen Anwendungen. In der Mixed-Signal-Schaltungen werden die DA- und AD-Umsetzer häufig von Mikrocontrollern oder FPGAs gesteuert. Bild 11 zeigt das generelle Stromversorgungskonzept. Sensoren liefern Signale für die analogen Vorverarbeitungsschaltungen und Umsetzer, die alle eine saubere Versorgungsspannung benötigen. Der Mikrocontroller kann mehrere Versorgungsspannungspegel erfordern.

Allgemein gilt, verrauschte Versorgungsspannungen für digitale Schaltungen, z.B. den Mikrocontroller, sollten von der sauberen, präzisen Versorgungspannung der analogen Schaltung und Referenzspannung getrennt werden. Die beiden Ausgänge des LT6658 bieten eine exzellente Trennung zwischen den Kanälen, einen hohen Wert für den Versorgungsspannungsdurchgriff und können größere Ströme liefern. Damit lässt sich eine saubere Spannungsversorgung für mehrere empfindliche Analogschaltungen sicherstellen.

Der LT6658 ist auch für den Betrieb in Industrie-Umgebungen gut geeignet, da er mit verrauschten Versorgungsspannungen arbeiten kann und weil Transienten durch Lastspitzen an einem Ausgang nur geringen Einfluss auf den benachbarten Ausgang haben. Auch wenn ein Verbraucher Strom von einem Ausgang anfordert, wird die Regelung des benachbarten Ausgangs davon nicht beeinträchtigt.

Ein Anwendungsbeispiel für den LT6658 aus der realen Welt zeigt Bild 12. Hier wird ein schneller AD-Umsetzer (LTC2379-18) mit einem LT6658 versorgt. Der Messeingang an UA2 ist so konfiguriert, dass er den 2,5-V-Ausgang auf eine 4,096-V-Referenzspannung verstärkt, um die Versorgungsspannung für den Eingangsverstärker LTC6362 zu liefern. UA1 wird auf 5 V verstärkt. Sie ist die Versorgungsspannung für den ADU LTC6362 und andere analoge Schaltungen, die eine 5-V-Versorgung benötigen.

Das gemessene Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, Signal-to-Noise Ratio), die effektive Anzahl von Bits (ENOB, Effective Number Of Bits) und die gesamte harmonische Verzerrung (THD, Total Harmonic Distortion) dieser Schaltung (Tabelle 2) belegen die Leistungsfähigkeit des LT6658.

Um die effektive Kanaltrennung und Regelung zu verdeutlichen, wurde der Refulator LT6658 in einer Mixed-Signal-Schaltung eingesetzt – zum Versorgen eines FPGAs (VCCIO) mit 3,3 V (Ausgang 2) und zum Erzeugen einer 5-V-Referenzspannung für einen ADU (Ausgang 1), die zugleich auch als Vorspannung für den Operationsverstärker genutzt wird.

In dieser Schaltung ist zusätzlich ein 3,3-V-LDO (LT1763) vorgesehen und die FPGA-Versorgung kann zwischen dem Ausgang 2 des LT6658 und dem Ausgang des separaten Linearreglers umgeschaltet werden. Durch das Umschalten der digitalen Versorgung zwischen dem LT6658 und dem LDO, lässt sich beurteilen, wie gut der LT6658 digitales Rauschen des einen Kanals (Ausgang 2) vom anderen trennen kann, der den Referenzeingang des AD-Umsetzers speist (Ausgang 1).

Für die Messung wurde eine rauschfreie DC-Quelle am Eingang des AD-Umsetzers angeschlossen, um das Rauschen der Schaltung erfassen zu können. Das Histogramm in Bild 13 zeigt keinen erkennbaren Unterschied in den Ergebnissen zwischen der LT6658- und der LDO-Versorgung für die VCCIO-Pins des FPGAs, was die robuste Regelung und saubere Trennung der Ausgänge des LT6658 belegt

 

 

Der Autor

 

Michael B. Anderson

ist leitender IC-Entwicklungsingenieur bei Analog Devices und war zuletzt bei der Linear Technology Corporation tätig, wo er an Signalkonditionierungs-ICs wie Präzisionsreferenzen und Verstärkern arbeitet. Vor 2003 arbeitete er als Senior Member of Technical Staff und Sektionsleiter bei Maxim Integrated Products und entwarf ADUs und Mixed-Signal-Schaltungen.

Vor 1997 arbeitete Anderson bei Symbios Logic als IC-Entwicklungsingenieur und entwarf Schaltungen für Fiber-Channel-Datenübertragungen. Er erhielt seine Bachelor und Master-Abschlüsse in Elektrotechnik von der Purdue University in West Lafayette, Indiana, USA. Anderson hält 16 Patente und veröffentlicht gelegentlich Fachaufsätze.

michael.anderson@analog.com