Линейный стабилизатор отрицательного напряжения со сверхнизким уровнем шума и сверхвысоким PSRR

Архитектура микросхемы линейного стабилизатора LT3094, основанная на опорном токе и применяемая в системах с переменным выходным напряжением, позволяет контролировать уровень шума и производительность PSRR независимо от уровня выходного напряжения.
780
В избранное

Архитектура микросхемы линейного стабилизатора LT3094, основанная на опорном токе и применяемая в системах с переменным выходным напряжением, позволяет контролировать уровень шума и производительность PSRR независимо от уровня выходного напряжения.

Линейные стабилизаторы с малым падением напряжения (LDO) широко используются в чувствительных к шуму устройствах на протяжении десятилетий. В то же время современные требования к уровню шума становятся все более жесткими. Новейшие прецизионные датчики, высокоскоростные АЦП и ЦАП с высоким разрешением, а также синтезаторы частоты (ФАПЧ/ГУН) требуют от обычных стабилизаторов LDO обеспечения сверхнизкого уровня шумов на выходе и сверхвысокого коэффициента подавления пульсаций питания (PSRR).

Например, при питании датчика шум источника напрямую влияет на точность результата измерения. Импульсные стабилизаторы часто используются в системах распределения электроэнергии для достижения более высокой общей эффективности системы. При разработке бесшумного источника питания стабилизаторы LDO обычно выполняют роль пострегулятора выходного сигнала относительно шумного импульсного преобразователя, что позволяет отказаться от использования громоздких выходных фильтрующих конденсаторов. В этом случае высокочастотный показатель PSRR стабилизатора LDO становится важной характеристикой.

LT3042, представленный в 2015 году, стал первым в отрасли линейным стабилизатором со среднеквадратичным выходным шумом 0,8 мкВ и PSRR 79 дБ на частоте 1 МГц. Две похожие микросхемы, - LT3045 и LT3045-1, - обладают еще более эффективными показателями PSRR и дополнительными функциями. Все эти микросхемы являются LDO-стабилизаторами положительного напряжения. Если в системе имеются биполярные элементы, например, операционные усилители или АЦП, в конструкции источника питания знакопеременной полярности должен использоваться LDO-стабилизатор отрицательного напряжения. LT3094 заявлен как первый LDO-стабилизатор отрицательного напряжения со сверхнизкими показателями уровня шума на выходе и сверхвысоким коэффициентом PSRR. В таблице 1 перечислены основные характеристики LT3094 и связанных с ним элементов.

Таблица 1. Характеристики LT3094 и прочих LDO-стабилизаторов с малым уровнем шума

Наименование LT3015 LT3090 LT3042 LT3045-1 LT3094
Выход Отрицательный Отрицательный Положительный Положительный Отрицательный
Ток на выходе, А 1,5 0,6 0,2 0,5 0,5
Уровень шума на выходе при 0,01…100 кГц, мкВ 60 18 0,8 0,8 0,8
Уровень шума при 10 кГц, мкВ/ÖГц 240 57 2 2 2
PSRR при 1 МГц, дБ 30 20 79 76 74
Программируемый предел тока - + + + +
Программируемая корректность уровня выходного напряжения - - + + +
Управление входным и выходным напряжением - - - + +
Поддержка параллельности - + + + +
Возможность быстрого запуска - - + + +

Стандартное применение

LT3094 содержит прецизионный источник опорного тока, за которым расположен высокопроизводительный выходной буфер. Отрицательное выходное напряжение устанавливается с помощью опорного тока −100 мкА, протекающего через один резистор. Такая архитектура на основе опорного тока позволяет получить широкий диапазон выходного напряжения (0…−19,5 В) и обеспечивает практически постоянный уровень выходного шума, PSRR и стабилизацию выходного напряжения вне зависимости от его запрограммированного значения. На рисунке 1 показана стандартная схема применения компонента, а на рисунке 2 - демонстрационная плата. Размер решения составляет всего лишь 10×10 мм.

Решение с низким уровнем шума при выходном напряжении -3,3 В

Рис. 1. Решение с низким уровнем шума при выходном напряжении -3,3 В

Демонстрационная плата миниатюрного решения на -3,3 В

Рис. 2. Демонстрационная плата миниатюрного решения на -3,3 В

LT3094 обеспечивает сверхмалый уровень шума на выходе — 0,8 мкВ среднеквадратичного значения в частотном промежутке от 10 Гц до 100 кГц, и сверхвысокий коэффициент PSRR — 74 дБ при 1 МГц. Кроме того, LT3094 позволяет задавать предел уровня тока, порог уровня выходного напряжения, обладает возможностью быстрого запуска и функцией программируемого управления входным и выходным напряжением (VIOC). Когда LT3094 стабилизирует напряжение на выходе импульсного преобразователя, то при изменении выходного напряжения стабилизатора LDO напряжение на стабилизаторе LDO остается постоянным за счет работы функции VIOC.

LT3094 предотвращает повреждения благодаря внутренней защите, в том числе внутреннему ограничению тока с обратной связью, ограничению по тепловой нагрузке, обратному току и обратному напряжению.

Прямое распараллеливание для повышения уровня тока

Стабилизатор LT3094 может быть подключен параллельно для увеличения выходного тока. На рисунке 3 показано решение с использованием двух LT3094, подключенных параллельно, для достижения значения выходного тока 1 A. Для параллельного подключения двух микросхем контакты SET следует соединить друг с другом, а между контактом SET и землей необходимо поместить резистор RSET. Ток, протекающий через RSET, составляет 200 мкА, что вдвое больше значения тока SET на одном элементе. Для лучшего распределения тока на выходе каждого LT3094 устанавливается небольшой балластный резистор 20 мОм.

Схема двух параллельных LT3094

Рис. 3. Схема двух параллельных LT3094

На рисунке 4 показаны тепловые характеристики схемы, представленной на рисунке 3, со входным напряжением –5 В и выходным напряжением –3,3 В при токе нагрузки 1 А. Температура каждой части поднимается примерно до 50°C, что свидетельствует о равномерном распределении тепла. Ограничений на количество микросхем, которые могут быть подключены параллельно для получения высокого выходного тока и низкого уровня шума, нет.

Тепловое изображение двух параллельных LT3094

Рис. 4. Тепловое изображение двух параллельных LT3094

Источник двухполярного питания с переменным выходным напряжением

Блок питания обычно состоит из импульсного преобразователя, выходной сигнал которого стабилизируется LDO-стабилизатором для достижения низкого уровня выходного шума и высокой эффективности системы. Оптимизированная разность напряжений между входом и выходом стабилизатора LDO составляет около –1 В, что позволяет поддерживать оптимальный баланс между рассеиванием мощности и PSRR. В системе с переменным выходным напряжением становится сложно поддерживать такую разность напряжений, однако LT3094 имеет функцию отслеживания (VIOC), которая позволяет поддерживать постоянное напряжение на стабилизаторе LDO даже при изменении выходного напряжения.

Регулируемый двухполярный источник питания отличается высокой степенью подавления пульсаций и низкой температурой работы

Рис. 5. Регулируемый двухполярный источник питания отличается высокой степенью подавления пульсаций и низкой температурой работы

На рисунке 5 показана схема двухполярного источника питания с использованием LT8582, LT3045-1 и LT3094. Микросхема LT8582 представляет собой двухканальный ШИМ-преобразователь постоянного тока со встроенными ключами, который может генерировать как положительное, так и отрицательное выходное напряжение от одного входного сигнала. Первый канал LT8582 сконфигурирован как SEPIC для генерации положительного выходного напряжения, а второй играет роль инвертирующего преобразователя для создания отрицательной шины. На отрицательной шине напряжение на LT3094 контролируется напряжением VIOC (формула 1):

formula1.png (2 KB)

где VFBX2 = 0 мВ, а IFBX = 83,3 мкА. При выборе сопротивления R2 номиналом 14,7 кОм напряжение VIOC устанавливается на уровне на 1,23 В выше переменного выходного напряжения. Резистор R1 (со значением 133 кОм) ограничивает входное напряжение LT3094 до 16,5 В, что определяется по формуле 2:

 formula2.png (2 KB)

Тепловые изображения схемы, работающей при величине входного напряжения в 12 В, показаны на рисунке 6.

Тепловое изображение двухполярного источника питания со входным напряжением 12 В

Рис. 6. Тепловое изображение двухполярного источника питания со входным напряжением 12 В

При изменении выходного напряжения с ±3,3 В до ±12 В температура LT3094 остается постоянной. В таблице 2 перечислены напряжение и ток для всех трех микросхем. На рисунке 7 показана переходная характеристика источника питания ±5 В при входном напряжении 12 В.

Таблица 2. Характеристики цепи двухполярного источника питания со входным напряжением 12 В при нагрузке ±500 мА

VLDO(OUT), В VLDO(IN), В VDROP, В Рост температуры LT3094, ºС IIN, А Эффективность системы, %
±3,3 ±4,55 1,25 8 0,48 57
±5 ±6,25 1,25 8 0,65 65
±12 ±13,22 1,22 9C 1,25 78

 

 Переходная характеристика двухполярного источника питания с входным напряжением 12 В и выходным напряжением ± 5 В
Рис. 7. Переходная характеристика двухполярного источника питания с входным напряжением 12 В и выходным напряжением ± 5 В

На рисунке 5 показано, что размещение дополнительных конденсаторов на входе LT3094 не требуется (необходимы лишь выходные конденсаторы LT8582). Как правило, входной конденсатор уменьшает пульсации на выходе, однако в случае с LT3094 ситуация выглядит по-другому.

Если на входе LT3094 разместить конденсатор, то, проходя через такой входной конденсатор, переключающие токи от импульсного преобразователя приведут к возникновению индуктивной связи между импульсным преобразователем и выходом LT3094. Уровень шума на выходе увеличится, что снизит показатели PSRR. При условии, что импульсный стабилизатор располагается не далее пяти сантиметров от LT3094, для достижения наилучших характеристик PSRR рекомендуется не размещать конденсатор на входе LT3094.

Заключение

Микросхема LT3094 представляет собой LDO-стабилизатор отрицательного напряжения, обладающий сверхмалым уровнем шума и сверхвысоким коэффициентом PSRR. Архитектура микросхемы на основе опорного тока позволяет контролировать уровень шума и характеристики PSRR независимо от уровня выходного напряжения, что также дает возможность подключать несколько LT3094 параллельно для увеличения тока нагрузки и снижения выходного шума. Функция управления входным и выходным напряжениями (VIOC) минимизирует рассеяние мощности стабилизатора LDO в процессе стабилизации выходного сигнала импульсного преобразователя, что делает LT3094 идеальным решением для применения в системах с переменным выходным напряжением.

Журнал: www.electronicdesign.com
Производитель: Analog Devices, Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LT8582EDKD#PBF
LT8582EDKD#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1875790 ИНФО PDF DT
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators Dual 3A Boost/Inverting DC/DC Converter with Fault Protection
LT8582EDKD#PBF
-
Поиск
предложений
LT8582IDKD#PBF
LT8582IDKD#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1875791 ИНФО PDF DT
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators Dual 3A Boost/Inverting DC/DC Converter with Fault Protection
LT8582IDKD#PBF
-
Поиск
предложений
LT3045EDD#PBF
LT3045EDD#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2322377 ИНФО PDF
Поиск
предложений
LDO Voltage Regulators 20V, 500mA, Ultralow Noise, Ultrahigh PSRR Linear Regulator
LT3045EDD#PBF
-
Поиск
предложений
LT3045EMSE#PBF
LT3045EMSE#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331254 ИНФО PDF
Поиск
предложений
LDO Voltage Regulators 20V, 500mA, Ultralow Noise, Ultrahigh PSRR Linear Regulator
LT3045EMSE#PBF
-
Поиск
предложений
LT3045EMSE-1#PBF
LT3045EMSE-1#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331410 ИНФО PDF
Поиск
предложений
LDO Voltage Regulators 20V, 500mA, Ultralow Noise, Ultrahigh PSRR Linear Regulator
LT3045EMSE-1#PBF
-
Поиск
предложений
LT3045IDD#PBF
LT3045IDD#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331570 ИНФО PDF
Поиск
предложений
LDO Voltage Regulators 20V, 500mA, Ultralow Noise, Ultrahigh PSRR Linear Regulator
LT3045IDD#PBF
-
Поиск
предложений
LT3045EDD-1#PBF
LT3045EDD-1#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331835 ИНФО PDF
Поиск
предложений
LDO Voltage Regulators 20V, 500mA, Ultralow Noise, Ultrahigh PSRR Linear Regulator
LT3045EDD-1#PBF
-
Поиск
предложений
LT3045IMSE#PBF
LT3045IMSE#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331840 ИНФО PDF
Поиск
предложений
LDO Voltage Regulators 20V, 500mA, Ultralow Noise, Ultrahigh PSRR Linear Regulator
LT3045IMSE#PBF
-
Поиск
предложений
LT3045HDD#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2792120
Поиск
предложений
LT3045HDD#PBF
-
Поиск
предложений
Производитель: Analog Devices Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LT3094IMSE#PBF
Analog Devices Inc.
Арт.: 3210860 RD
Поиск
предложений
LT3094IMSE#PBF
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()