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Rauscharmer Linearregler für 200 mA

Referenzspannungsquelle als Stromversorgung

12. April 2019, 09:12 Uhr   |  Von Michael B. Anderson

Referenzspannungsquelle als Stromversorgung
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Rauscharme Spannungsversorgung mit einem Linearregler-IC

Für eine präzise und rauscharme Spannungsversorgung werden häufig Referenzspannungsquellen verwendet, obwohl sie nicht zum Versorgen von Lasten ausgelegt sind. Für solche Anwendungen hat Analog Devices ein Linearregler-IC entwickelt – mit zwei Kanälen sowie hoher Kanaltrennung und präziser Regelung.

Die Entwickler von analogen Schaltungen vertrauen häufig auf eine einfache Referenzspannungsquelle, um ihre DA- und AD-Umsetzer mit einer rauscharmen Spannung zu versorgen. Diese Aufgabe liegt allerdings weit außerhalb des Einsatzbereichs einer Referenzspannungsquelle – dazu entwickelt, um eine rauschfreie, präzise und stabile Spannung an den Referenzeingang eines Reglers zu liefern, z.B. den Referenzeingang eines Schaltreglers in Leistungswandlern. Mit einigen Einschränkungen sind Referenzspannungsquellen in der Regel der Aufgabe gewachsen, was die Entwickler ermutigt, Referenzspannungsquellen zu nutzen, um Schaltungen mit höherem Strombedarf zu versorgen. Denn, wenn die Referenzspannungsquelle den Umsetzer mit Strom versorgen kann, warum nicht auch die analoge Signalverarbeitung oder einen weiteren Umsetzer? Diese Liste ließe sich beliebig fortsetzen.

Die Qual der Wahl zwischen Genauigkeit und Leistung kommt häufig in allen Entwicklungsprozessen vor. Die »Hauruck«-Methode empfiehlt den Einsatz einer Referenzspannungsquelle, wenn die Genauigkeit gefordert wird, und einen Linearregler (LDO), wenn mehrere mW an Leistung nötig sind.

Lassen sich beide Anforderungen nicht mit einer Quelle erfüllen, müssten zwei Stufen hinzugefügt und separate Leitungen geroutet werden, selbst wenn die Nennspannungen gleich sind. Der Aufwand ist mit höheren Kosten und einem zusätzlichen Flächenbedarf auf der Leiterplatte verbunden.

Und, wenn eine hochpräzise Spannungsquelle erforderlich ist, um mehrere mW an Leistung zu liefern, ist der Entwickler gezwungen, eine Referenzspannungsquelle zu puffern. Der LT6658 von Analog Devices löst dieses Problem. Er hat zwei rauscharme Präzisionsspannungsausgänge mit einem kombinierten 200-mA-Ausgangsstrom. Analog Devices nennt ihn Refulator, ein Kunstwort aus Reference und Regulator.

Referenzspannung mit geringer Drift

Der LT6658 ist ein rauscharmer, Präzisionsregler mit geringer Drift – mit den Spezifikationen einer typischen Referenzspannungsquelle: 10 ppm/K Drift und eine Grundgenauigkeit von 0,05 %. Mit seinen zwei Ausgängen, die für Stromstärken von bis zu 150 mA bzw. 50 mA ausgelegt sind und auch als aktive Senke wirken können, kann der LT6658 höhere Leistungen liefern, vergleichbar einem Linearregler. Um die Genauigkeit beizubehalten, ist die Lastregelung 0,1 ppm/mA. Der Versorgungsspannungsdurchgriff beträgt typisch 1,4 ppm/V, wenn die Eingangsanschlüsse miteinander verbunden sind, und unter 0,1 ppm/V, wenn an den Eingangsanschlüssen unabhängige Quellen angeschlossen werden.

Der Refulator LT6658 besteht aus einer Referenzspannungsquelle und zwei separaten Ausgangsverstärkern. Alle drei Stufen können separat mit Strom versorgt werden
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Bild 1. Der Refulator LT6658 besteht aus einer Referenzspannungsquelle und zwei separaten Ausgangsverstärkern. Alle drei Stufen können separat mit Strom versorgt werden.

Die typische Schaltung des LT6658 ist in Bild 1 dargestellt. Der Refulator LT6658 besteht aus einer Referenzspannungsquelle (Bandgap), einer Filterstufe zur Rauschdämpfung und zwei Ausgangsverstärkern, die als Impedanzwandler und Pufferverstärker dienen. Die Bandabstandsreferenzquelle und die beiden Ausgangsverstärker werden separat mit Strom versorgt, um eine weitreichende Entkopplung zu ermöglichen. Der invertierende Eingang jedes Ausgangsverstärkers ist herausgeführt. Dies erlaubt es Entwicklern die Spannung direkt an der Last auf den Verstärkereingang rückzukoppeln, um die Auswirkung des Leitungswiderstandes zu kompensieren.

Das Filter zur Rauschdämpfung besteht aus einem integrierten 400-Ω-Widerstand mit einem externen Kondensator. Es arbeitet als Tiefpassfilter und begrenzt das Rauschen aus der Bandabstandsreferenzquelle. Der externe Kondensator kann beliebig groß sein, was die Rauschbandbreite auf einen sehr niedrigen Wert reduziert.

Schnelles und ruhiges Einschwingen nach Laständerungen

Die Sprungantwort des Ausgangs 1 (UA1, max. 150 mA) auf einen 1-mA-Lastsprung (a) – 10 mA auf 11 mA – und einen 140-mA-Lastsprung (b) – 10 mA auf 150 mA – verdeutlicht, wie schnell und präzise der Regler reagiert
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Bild 2. Die Sprungantwort des Ausgangs 1 (UA1, max. 150 mA) auf einen 1-mA-Lastsprung (a) – 10 mA auf 11 mA – und einen 140-mA-Lastsprung (b) – 10 mA auf 150 mA – verdeutlicht, wie schnell und präzise der Regler reagiert.

Das Einschwingverhalten des 150-mA-Reglers (Ausgang 1, UA1) verdeutlicht Bild 2. In Bild 2a ist die Sprungantwort auf einen 1-mA-Lastsprung von 10 mA auf 11 mA dargestellt; Bild 2b zeigt die Sprungantwort auf einen 140 mA-Lastsprung von 10 mA auf 150 mA.

Die Fähigkeit der Ausgangsverstärker als Quelle und Senke zu wirken, erlaubt ein schnelles Einschwingen der Ausgangsspannung. Das Einschwingverhalten ist kurz, wobei die präzise Lastregelung beibehalten wird.

Die Lastabhängigkeit der Regelung beträgt typisch nur 0,1 ppm/mA. Der zweite Ausgang (UA2) hat ein ähnliches Einschwingverhalten bei einer maximalen Last von 50 mA.

Ausgangsnachführung – unabhängig für jeden Kanal

Eine steigende Belastung des Ausgangs 1 hat nur wenig Einfluss auf die Spannung des zweiten Ausgangs. Das Verhältnis beider Ausgangsspannungen bleibt weitgehend unverändert. (Effekte der Erwärmung nicht berücksichtigt)
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Bild 3. Eine steigende Belastung des Ausgangs 1 hat nur wenig Einfluss auf die Spannung des zweiten Ausgangs. Das Verhältnis beider Ausgangsspannungen bleibt weitgehend unverändert. (Effekte der Erwärmung nicht berücksichtigt).

Die Ausgänge des LT6658 werden nachgeführt, selbst wenn sie auf unterschiedliche Spannungen eingestellt sind. In Schaltungen mit mehreren Umsetzern, die unterschiedliche Referenzspannungen benötigen, wird so sichergestellt, dass die Umsetzer konsistente Ergebnisse liefern.

Dies ist möglich, weil die beiden Ausgänge des LT6658 von einer gemeinsamen Spannungsquelle gesteuert werden. Die Ausgangspufferverstärker sind getrimmt, um eine sehr gute Nachführung und eine geringe Drift zu erzielen.

Wenn die Last am Ausgang 1 (UA1) von 0 mA auf 150 mA ansteigt, ändert sich der Ausgang UA2 weniger als 12 ppm, wie in Bild 3 dargestellt. Deshalb wird das Verhältnis zwischen den Ausgängen selbst bei variierenden Lasten und Betriebsbedingungen beibehalten.

Betriebsspannungsunterdrückung und Kanaltrennung

Um sehr hohe Werte für den Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) und die Kanaltrennung der Ausgänge zu erzielen, hat der LT6658 drei Stromversorgungsanschlüsse. Der UE-Anschluss liefert Strom an die Bandabstandsreferenzschaltung. Die Anschlüsse UE1 und UE2 dienen zur Versorgung der Ausgangsverstärker für UA1 und UA2. Die einfachste Methode ist es, alle drei Anschlüsse miteinander zu verbinden, was einen typischen DC- Versorgungsspannungsdurchgriff von 1,4 ppm/V ergibt. Wenn die Stromversorgungsanschlüsse getrennt an separate Quellen angeschlossen werden, beträgt der DC-Versorgungsspannungsdurchgriff für UA2 nur 0,06 ppm/V – gemessen mit einer auf einen konstanten Wert fixierten Eingangsspannung für UE1.

In Tabelle 1 sind die Werte für den Versorgungsspannungsdurchgriff für einen Hub der jeweiligen Versorgungsspannung von 5 V auf 36 V zusammengefasst. Die UE-Versorgung hat die höchste Empfindlichkeit, was typisch eine Änderung um 1,4 ppm/V an den Ausgängen zur Folge hat. Die Versorgungsanschlüsse UE1 und UE2 haben praktisch keine Auswirkungen aus die Ausgangsspannungen. Die Messwerte in den UE1- und UE2-Spalten liegen auf dem Niveau des Ausgangsrauschens.

Der gemessene Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) bei einem Sprung der Versorgungsspannung von 5 V auf 36 V. Die höchste Empfindlichkeit zeigt der UE-Anschluss
© Analog Devices

Tabelle 1. Der gemessene Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) bei einem Sprung der Versorgungsspannung von 5 V auf 36 V. Die höchste Empfindlichkeit zeigt der UE-Anschluss.

In Bild 4 sind zwei Beispiele für den AC-Versorgungsspannungsdurchgriff gezeigt. Das erste Beispiel hat einen 1-µF-Kondensator am NR-Anschluss des LT6658, im zweiten Beispiel ist ein 10-µF-Kondensator am NR-Pin angeschlossen. Der größere 10-µF-Kondensator verschiebt die 107-dB-Unterdrückung auf 2 kHz.

Die AC-Kanaltrennung der Versorgungsspannungen zwischen UA1 und UA2 ist in Bild 5 zu sehen. Hier ist die Trennung von Kanal zu Kanal bis 100 kHz größer als 70 dB, mit CNR = 10 μF.

Betriebsspannungsunterdrückung,Kanaltrennung; Bilder 4-7

Der AC-Versorgungsspannungs-durchgriff lässt sich durch die Wahl des Kondensators am NR-Anschluss anpassen: rote Kurve mit CNR = 1 µF, blaue Kurve mit CNR = 10 µF
Die AC-Kanaltrennung von UA1 und UA2 lässt sich über die Wahl des Ausgangskondensators (CA) anpassen
Die Trennung zwischen den beiden Eingangskanälen: (a) von UA1 zu UA2; UA1 mit einer effektiven Wechselspannung von 50 mV überlagert und (b) von UA2 zu UA1; UA2 einer effektiven Wechselspannung von 50 mV überlagert

Alle Bilder anzeigen (4)

Lasttransienten eines Ausgangs haben nur einen minimalen Effekt auf den anderen Ausgang. Die Bilder 6a und 6b illustrieren die Trennung von Kanal zu Kanal. Jeweils ein Ausgang wird mit einer Wechselspannung von 50 mVeff überlagert und die Änderung am anderen Ausgang wird gemessen.

Eine außergewöhnliche AC-PSSR kann mit der Schaltung in Bild 7 erreicht werden. Der UA1-Ausgang stellt die Versorgungsspannungen für UE und UE2, was zu einer rekursiven Referenzspannung führt.

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2. Powermanagement und Schutzfunktionen

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