一款用于基準(zhǔn)電壓源的低漂移穩(wěn)壓器性能講解

基準(zhǔn)電壓源是精密的模擬集成電路，您無法（或者說很難）從基準(zhǔn)電壓源獲取電流。如果您需要精密電壓和少量電流，則需要一個帶有外部元件的外部 LDO 以及 PCB 空間。

Refulator? 提供了一種解決方案，這是一種能夠驅(qū)動電流的高精度基準(zhǔn)電壓源。今天就由 ADI 的資深設(shè)計工程師 Michael Anderson（他擁有16項專利）為大家介紹采用 Refulator 的優(yōu)點吧~

LT6658——基準(zhǔn)電壓源質(zhì)量的低漂移穩(wěn)壓器

LT6658是一款精密低噪聲、低漂移穩(wěn)壓器，具有專用基準(zhǔn)電壓源的精度規(guī)格和線性穩(wěn)壓器的功率能力——二者的優(yōu)點結(jié)合為ADI 的 Refulator技術(shù)。LT6658的漂移為10 ppm /°C，初始精度為0.05%，兩路輸出分別支持150 mA和50 mA，每路輸出均有20 mA的有源吸電流能力。為了保持高精度，負(fù)載調(diào)整率為0.1 ppm/mA。當(dāng)輸入電壓源引腳連接在一起時，電壓調(diào)整率典型值為1.4 ppm/V，而當(dāng)為輸入引腳提供獨立電源時，電壓調(diào)整率小于0.1 ppm/V。

為了更好地理解LT6658的特性以及它如何達(dá)到如此高的性能水平，圖1顯示了一個典型應(yīng)用。LT6658由一個基準(zhǔn)電壓級、一個降噪級和兩個輸出緩沖器組成?；鶞?zhǔn)電壓和兩個輸出緩沖器分開供電，以實現(xiàn)優(yōu)異的隔離。每個輸出緩沖器都有一個開爾文檢測反饋引腳，以提供最佳負(fù)載調(diào)整。

圖1. 典型應(yīng)用

降噪級由一個400 Ω電阻和一個用于連接外部電容的引腳組成。該RC網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)?shù)屯?a href="http://srfitnesspt.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器，用來限制基準(zhǔn)電壓級的噪聲帶寬。外部電容可以任意大，以便將噪聲帶寬降至非常低的頻率。

快速安靜的負(fù)載階躍響應(yīng)

作為穩(wěn)壓器，LT6658從VOUT1_F引腳提供150 mA電流，并具有出色的瞬態(tài)響應(yīng)性能。圖2a顯示了器件對1 mA負(fù)載階躍瞬態(tài)（從10 mA到11 mA）的響應(yīng)；圖2b顯示了器件對140 mA負(fù)載階躍瞬態(tài)（從10 mA到150 mA）的響應(yīng)。輸出緩沖器的出電流和吸電流能力支持輸出快速建立。瞬態(tài)響應(yīng)時間很短，同時保持出色的負(fù)載調(diào)整。負(fù)載調(diào)整率典型值為0.1 ppm/mA。第二路輸出VOUT2_F具有類似的響應(yīng)性能，最大負(fù)載為50 mA。

圖2a. 1 mA負(fù)載階躍響應(yīng)

圖2b. 140 mA負(fù)載階躍響應(yīng)

輸出跟蹤

對于使用不同基準(zhǔn)電壓的多轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，即使輸出設(shè)置為不同的電壓，LT6658的輸出也會跟蹤，確保轉(zhuǎn)換結(jié)果一致。這之所以可能，是因為LT6658的兩路輸出由一個公共電壓源驅(qū)動。輸出緩沖器經(jīng)調(diào)整，實現(xiàn)出色的跟蹤和低漂移。當(dāng)VOUT1_F上的負(fù)載從0 mA增加到150 mA時，VOUT2輸出變化小于12 ppm，如圖3所示。也就是說，即使負(fù)載和工作條件改變，輸出之間的關(guān)系也能得到很好地保持。

圖3. 通道間的負(fù)載調(diào)整（已消除發(fā)熱影響）

電源抑制和隔離

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為了幫助實現(xiàn)出色的電源抑制和輸出隔離，LT6658提供三個電源引腳。VIN引腳為基準(zhǔn)電壓電路供電，而VIN1和VIN2分別為VOUT1和VOUT2供電。最簡單的方法是將所有三個電源引腳連接在一起，提供1.4 ppm/V的典型直流電源抑制能力。當(dāng)電源引腳分別連接且VIN1電源切換時，VOUT2的直流電壓調(diào)整率為0.06 ppm/V。

表1總結(jié)了每個電源引腳從5 V變?yōu)?6 V時的電源抑制情況。VIN電源的靈敏度最高，引起的輸出典型變化為1.4 ppm/V。電源引腳VIN1和VIN2幾乎無影響。VIN1和VIN2欄中的測量結(jié)果是輸出噪聲電平。

Table 1. DC Power Supply Rejection

表4所示為交流PSRR的兩個例子。第一個例子在NR引腳上有一個1 μF電容，第二個例子在NR引腳上有一個10 μF電容。較大的10 μF電容將107 dB抑制能力擴(kuò)展到2 kHz。

圖4. 電源紋波抑制

圖5顯示了從VIN1到VOUT2的交流通道間電源隔離。當(dāng)CNR = 10 μF時，100 kHz以上頻率的通道間電源隔離大于70 dB。

圖5. 通道間VOUT1至VOUT2隔離

負(fù)載瞬變對相鄰輸出的影響極小。圖6a和圖6b顯示了通道間輸出隔離。在一路輸出以50 mV rms擺動的同時，繪制另一路輸出的變化。

圖6a. 通道間VOUT1至VOUT2負(fù)載調(diào)整率

圖6b. 通道間VOUT2至VOUT1負(fù)載調(diào)整率

使用圖7所示電路可以實現(xiàn)非凡的交流PSRR。VOUT1輸出引導(dǎo)電源VIN和VIN2，產(chǎn)生一個遞歸基準(zhǔn)電壓源。

圖7a. 遞歸基準(zhǔn)電壓源解決方案（VOUT1為VIN和VIN2供電）

圖7b. 遞歸基準(zhǔn)電壓源電路的交流PSSR

電源管理和保護(hù)

三個電源引腳有助于管理封裝的功耗。當(dāng)提供大電流時，應(yīng)降低電源電壓，以盡量減少LT6658的功耗。輸出器件上出現(xiàn)的電壓會較小，從而降低功耗并提高效率。

輸出禁用引腳OD用于關(guān)閉輸出緩沖器，并將VOUT_F引腳置于高阻態(tài)。這在發(fā)生故障時很有用。例如，負(fù)載可能會受損并短路。此事件可以被外部電路檢測到，兩路輸出均可禁用。此特性可以忽略，當(dāng)OD引腳懸空或接高電平時，弱上拉電流將使能輸出緩沖器。

LT6658采用16引腳MSE裸露焊盤封裝，θJA低至35°C/W。當(dāng)電源電壓較高時，功率效率較低，導(dǎo)致封裝過熱。例如，滿載時32.5 V電源電壓會在輸出器件上產(chǎn)生30 V × 0.2 A的多余功率。6 W的多余功率會將芯片內(nèi)部溫度提升到環(huán)境溫度之上210°C，非常危險。為了保護(hù)器件，當(dāng)芯片溫度超過165°C時，熱關(guān)斷電路會禁用輸出緩沖器。

噪聲

對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他精密應(yīng)用，噪聲是一個重要考慮因素。在NR（降噪）引腳上增加一個電容，可以使低噪聲LT6658的噪聲進(jìn)一步降低。NR引腳上的電容與片內(nèi)400 Ω電阻形成一個低通濾波器。大電容會降低濾波器頻率，從而降低總積分噪聲。圖8顯示了增大NR引腳上電容值的影響。使用10 μF電容時，噪聲滾降至7 nV/√Hz左右。

圖8. 通過增大CNR降低噪聲

通過增大輸出電容，可以進(jìn)一步降低噪聲。當(dāng)NR和輸出電容均增大時，輸出噪聲可降至幾微伏。輸出電容在1 μF到50 μF之間時，LT6658可保持穩(wěn)定。如果并聯(lián)1 μF陶瓷電容，則輸出在大電容下也能保持穩(wěn)定。例如在圖9a所示電路中，1 μF陶瓷電容與100 μF聚合鋁電容并聯(lián)。

圖9a. 通過增大C1降低噪聲

這種配置在降低噪聲帶寬的同時仍能保持穩(wěn)定。圖9b顯示了不同輸出電容值對應(yīng)的噪聲響應(yīng)。在所有三種情況下，都有一個1 μF小陶瓷電容與較大電容并聯(lián)。

圖9b. 通過增大C1降低噪聲

這種方案的一個缺點是噪聲峰化，這可能會增加總積分噪聲。為降低噪聲峰化，可以插入一個1 Ω電阻與大輸出電容串聯(lián)，如圖10a所示。輸出電壓噪聲和總積分噪聲分別如圖10b和10c所示。

圖10a. 通過增加一個1 Ω電阻與C2串聯(lián)來降低噪聲峰化

圖10b. 通過增加一個1 Ω電阻與C2串聯(lián)來降低噪聲峰化

圖10c. 通過增加一個1 Ω電阻與C2串聯(lián)來降低噪聲峰化

應(yīng)用

LT6658可為許多要求苛刻的應(yīng)用提供安靜精準(zhǔn)的電源。在混合信號領(lǐng)域，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器常常由微控制器或FPGA控制。圖11顯示了基本原理。傳感器向模擬處理電路和轉(zhuǎn)換器提供信號，所有這些都需要干凈的電源。微控制器可能有多個電源輸入，包括模擬電源。

圖11. 混合信號應(yīng)用

作為一般規(guī)則，微控制器的高噪聲數(shù)字電源電壓應(yīng)與干凈精密的模擬電源和基準(zhǔn)電壓源隔離。LT6658的兩路輸出提供出色的通道間隔離、電源抑制和電源電流能力，確保為多個敏感模擬電路提供干凈電源。

LT6658也非常適合工業(yè)環(huán)境，因為它可以采用高噪聲供電軌工作，并且一路輸出上的轉(zhuǎn)換造成的負(fù)載毛刺對相鄰輸出影響很小。此外，當(dāng)一路輸出上的負(fù)載需要電流時，相鄰輸出會繼續(xù)跟蹤。

圖12顯示了一個實際例子，其中 LTC2379-18 高速ADC電路采用LT6658供電。VOUT2上的開爾文檢測輸入配置為將2.5 V輸出提升至4.096 V基準(zhǔn)電壓，并為輸入放大器 LTC6362 提供共模電壓。VOUT1提升至5 V， 為需要5 V電源的LTC6362和其他模擬電路供電。LT6658兩路輸出分別在VOUT1和VOUT2上具有150 mA和50 mA的最大負(fù)載。

圖12. 數(shù)據(jù)采集解決方案

表2. 來自圖12的數(shù)據(jù)采集電路示例

圖13中的電路展示了LT6658如何為高噪聲數(shù)字電路供電，同時為精密ADC提供安靜精確的基準(zhǔn)電壓。在此應(yīng)用中，LT6658或單獨LDO的一個通道為高噪聲FPGA (VCCIO)和其他一些邏輯提供3.3 V電源，另一個通道為20位ADC的基準(zhǔn)輸入提供5 V電源。

圖13. 高噪聲數(shù)字測試示例電路

通過在LT6658和LDO之間切換數(shù)字供電電路，我們可以評估LT6658將一個通道上的數(shù)字噪聲與另一個驅(qū)動20位ADC的安靜基準(zhǔn)輸入的通道相隔離的能力。在ADC輸入端使用一個干凈的直流電源，可以推斷出噪聲，如圖14所示。直方圖顯示LT6658或LDO為FPGA的VCCIO引腳供電的結(jié)果沒有明顯差異，證明LT6658具有穩(wěn)健的調(diào)節(jié)和隔離能力。

圖14. 圖13所示電路的測試結(jié)果直方圖

結(jié)語

LT6658是基準(zhǔn)電壓源和穩(wěn)壓器發(fā)展的下一步。對精密模擬電源而言，從單個封裝提供200 mA組合電流的精密性能和能力是一種范式轉(zhuǎn)變。噪聲抑制、通道間隔離、跟蹤和負(fù)載調(diào)整，使該產(chǎn)品成為精密模擬基準(zhǔn)電壓源和電源解決方案的理想之選。采用這種新方法，應(yīng)用不需要犧牲精度或功耗。