精準的類比電路設計者常常依靠電壓參考來為DAC和ADC轉換器供電,但這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替轉換器的參考輸入提供一個乾淨、精準和穩定的電壓。

在不違反相關注意事項的情況下,用電壓參考供電通常也是可行的,這也是因應電流日益提高的應用時,人們總希望採用電壓參考的原因。畢竟,如果電壓參考可以為轉換器供電,那為什麼不能為類比訊號鏈路或其他轉換器及更多的零組件供電呢?

在設計過程中,很多時候需要在精準度和功率間做出抉擇。如果採用比較「暴力」的方法,則會在需要高精準度時使用電壓參考,需要毫瓦級功率時使用穩壓器。這麼做除了增加所需電路板空間和成本外,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。而且,如果需要一個高精準度電壓源提供毫瓦級功率,那麼設計者就必須對參考進行緩衝。

例如,凌力爾特(現隸屬ADI)提供的LT6658電壓參考具備兩個低雜訊、高精準度輸出,總共提供了200mA的輸出電流,以及先進的參考規格,從而克服了這種困境。

線性穩壓器提供電壓參考

LT6658是一款精準的低雜訊、低漂移穩壓器,兼具參考的準確度指標和線性穩壓器的性能。擁有10ppm/℃的漂移和0.05%的初始準確度。在LT6658的電源側具有兩個提供150mA和50mA的輸出,它們各具20mA的主動電流汲取能力。為保持準確度,負載調整率為0.1ppm/mA。當輸入電壓電源針腳連接在一起時,電壓調整率通常為1.4ppm/V;而當為輸入針腳提供單獨的電源時,電壓調整率則小於0.1ppm/V。

為了更能理解LT6658的功能及其工作方式,圖1所示則為典型應用。LT6658由一個能隙級、一個降低雜訊級和兩個輸出緩衝器組成。能隙級和兩個輸出緩衝器單獨供電,以提供卓越的隔離度。每個輸出緩衝器都有一個開爾文感測回授針腳,以提供最佳負載調節。

20170714_Linear_NT31P1 圖1:LT6658的典型應用

降低雜訊級由一個400Ω電阻組成,還為連接一個外部電容提供了針腳。這個RC網路發揮了低通濾波器的作用,限制了能隙級雜訊的頻寬。外部電容可以任意大,以將雜訊頻寬減小到非常低的頻率。

電流供應和吸收

作為一個穩壓器,LT6658從VOUT1_F針腳提供150mA,從VOUT2_F針腳提供50mA,而且這兩個針腳均吸收20mA。主動吸收能力有助於獲得卓越的暫態響應並實現快速穩定。暫態響應時間很簡短,同時保持了卓越的0.1ppm/mA負載調整率。

輸出追蹤

如果應用有多個使用不同電壓參考的轉換器,那麼即使輸出設定為不同的電壓,LT6658的輸出也會實現追蹤,以確保一致的轉換結果。這樣做是可能的,因為LT6658的兩個輸出是透過公共電壓源驅動。輸出緩衝器進行了微調,可實現卓越的追蹤效果和低漂移。當VOUT1_F上的負載從0提高到150mA時,VOUT2輸出的變化小於12ppm。也就是說,甚至隨著負載和工作條件的變化,輸出之間的關係也能得到良好的保持。

電源抑制和隔離

為了方便實現卓越的電源抑制和輸出隔離,LT6658提供3個電源針腳。VIN針腳為能隙電路供電,VIN1和VIN2分別為VOUT1和VOUT2供電。最簡單的方法是連接所有3個電源針腳,以提供1.4ppm/V的典型DC電源抑制。當電源針腳單獨連接時,VIN1電源切換,針對VOUT2的DC電壓調節是0.06ppm/V。VIN電源靈敏度最高,在輸出上引起1.4ppm/V的典型變化。電源針腳VIN1和VIN2幾乎不產生影響。

隔離良好的輸出緩衝器抑制來自相鄰緩衝器的負載暫態,對相鄰輸出產生最小影響。圖2a和2b說明了通道至通道輸出隔離。一個輸出在50mVrms上擺動,所畫曲線表示相鄰緩衝器中的變化。

20170714_Linear_NT31P2 圖2:通道至通道負載隔離。圖2a:VOUT1至VOUT2;圖2b:VOUT2至VOUT1

電源管理和保護

3個電源針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降低LT6658中的功耗。跨輸出元件兩端將出現較低的電壓,從而實現較低的功耗和較高的效率。

輸出禁止針腳OD關斷輸出緩衝器,並將VOUT_F針腳置於高阻抗狀態。一旦出現故障情況,如此做便很實用。例如,負載可能損壞和短路。外部電路可以感測到此種情況,這時兩個輸出都可以被禁止。這個功能也可以忽略,這時當OD針腳浮置或連至高位準時,弱上拉電流將啟動輸出緩衝器。

LT6658採用MSE-16外露焊墊封裝,?JA低至35℃/W。當電源電壓為高時,電源效率將較低,從而導致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元件上產生30V x 0.2A 的過量功率。過量功率的總數為6W,這將使內部晶片溫度上升至比環境溫度高210℃!為了保護元件,當晶片溫度超過165℃時,熱關機電路將停用輸出緩衝器。

雜訊

就資料轉換器和其他高精準度應用而言,雜訊是一個重要參數。在NR(降低雜訊)針腳上增加一個電容,低雜訊LT6658的雜訊甚至可以變得更低。在NR針腳上的電容與一個內建400Ω電阻器一起,形成了一個低通濾波器。大型電容降低了濾波器頻率,因此降低了總綜合雜訊。圖3a顯示,提高NR針腳上的電容值所產生的效果。採用10μF電容時,雜訊滾降至大約7nV/√Hz。

透過增大輸出電容器,雜訊可以進一步降低。當NR和輸出電容器都增大時,輸出雜訊就可以降至幾微伏。使用1μF至50μF的輸出電容,LT6658是穩定的。如果並聯放置一個1μF的陶瓷電容,那麼輸出用較大的電容也可以穩定。例如,圖3b顯示了一個1μF陶瓷電容與一個100μF聚合鋁電容並聯的電路。這種配置在降低雜訊頻寬時仍然保持穩定。圖3c說明了不同輸出電容值時的雜訊響應。在所有這3種情況下,均有一小型1μF陶瓷電容與一個較大的電容並聯。

20170714_Linear_NT31P3 圖3:圖3a透過提高CNR降低雜訊,圖3b和3c透過提高輸出電容降低雜訊

這種方案的缺點是雜訊峰值,雜訊峰值可能增大總綜合雜訊。為了降低雜訊峰值,可以插入一個與大型輸出電容串聯的1Ω電阻,如圖4a所示。輸出電壓雜訊和總綜合雜訊分別如圖4b和4c所示。

20170714_Linear_NT31P4 圖4:透過增加一個與C2串聯的1Ω電阻降低雜訊峰值。圖4a為電路,圖4b為輸出電壓雜訊,圖4c為總綜合雜訊(10Hz至1MHz)

應用

LT6658能夠以相當低的雜訊精準地為多種要求嚴苛的應用提供電源。在混合訊號世界中,資料轉換器常常由微控制器或FPGA控制。感測器為類比處理電路和轉換器提供訊號,所有這一切都需要乾淨無雜訊的電源。微控制器可以有幾種電源輸入,包括類比電源。作為一般原則,提供給微控制器的有雜訊數位電源電壓應該與乾淨精準的類比電源和參考隔離開。LT6658的兩個輸出提供卓越的通道至通道隔離度、電源抑制和電源電流能力,從而確保為多種敏感的類比電路提供乾淨的電源。

LT6658也非常適合工業環境,能夠用有雜訊電源軌運行,而且在一個輸出上由轉換引起的負載干擾對於在相鄰輸出的影響非常小。此外,當負載在一個輸出上需要電流時,相鄰輸出繼續追蹤。

圖5所示電路說明LT6658在為有雜訊數位電路供電的同時,還保持為高精準度ADC提供一個安靜、精準的參考電壓。

20170714_Linear_NT31P5 20170714_Linear_NT31P5b 圖5:有雜訊數位測試電路舉例(5a);測試結果橫條圖 (5b)

在本應用中,LT6658或一個單獨的穩壓器電源為在一個通道上驅動一個有雜訊FPGA電源(VCCIO)和某種混雜邏輯的3.3V電源軌供電,並向另一個通道上的20位元ADC之參考輸入提供5V電源。透過在LT6658和穩壓器之間切換數位電源,我們可對LT6658把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所能達到的水準進行評估。如圖5b所示,在ADC的輸入端上使用一個乾淨的DC電源即可推斷雜訊。無論是由LT6658或是由穩壓器電源為FPGA的VCCIO針腳供電,長條圖並無明顯的不同,這展示了LT6658堅固的穩壓和隔離性能。

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,精準性能和從單一封裝提供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、追蹤和負載調節等特點把該產品不偏不倚地置於未來精準型類比參考和電源解決方案的成長道路上。利用這種新方法,應用將無須犧牲精度或功耗指標。