Präzisionsregler

Bild 1: Beispiel für eine typische Anwendung des Präzisionsreglers LT6658. (Bild: Linear)

Entwickler von präzisen Analogsystemen hängen häufig von einer sauberen kleinen Spannungsreferenz ab, um ihre D/A- und A/D-Wandler mit Strom zu versorgen. Dies geht über die eigentliche Rolle der Referenz hinaus, die im Prinzip nur eine präzise Spannung für den Referenzeingang eines Konverters liefern soll. Mit einigen Vorsichtsmaßnahmen funktioniert eine solche zusätzliche Nutzung üblicherweise auch. Inzwischen wird von Referenzen sogar erwartet, dass sie zunehmend Applikationen mit höheren Strömen adressieren. Damit stellt sich eine interessante Frage: Wenn die Referenz den Wandler versorgen kann, warum nicht auch die gesamte analoge Signalkette oder einen weiteren Wandler?

Nun, bislang gibt es noch viele Zeitpunkte im Entwicklungsprozess, an denen man sich zwischen Genauigkeit oder Leistung entscheiden muss. Als Faustformel gilt, eine Referenz zu verwenden, wenn es auf Genauigkeit ankommt, und einen Regler, wann immer Leistung im Milliwatt-Bereich erforderlich ist. Wenn jedoch eine hochgenaue Spannungsquelle erforderlich ist, die zudem einige Milliwatt an Leistung liefern muss, war der Entwickler bisher gezwungen, eine Referenz zu buffern. Der Regler LT6658 von Linear beseitigt dieses Dilemma, da er zwei rauscharme Präzisionsausgänge mit einem Ausgangsstrom von 200 mA und anspruchsvollen Referenz-Spezifikationen miteinander kombiniert.

Referenz und Linearregler zugleich

Der LT6658 ist ein rauscharmer Präzisionsregler mit geringer Drift, der über die Genauigkeitsspezifikationen einer Referenz und die Leistung eines Linearreglers verfügt. Der LT6658 erreicht eine Drift von nur 10 ppm/°C sowie eine Grundgenauigkeit von 0,05 Prozent. Er hat zwei Ausgänge, die beide 150 mA und 50 mA liefern und die Fähigkeit einer aktiven 20-mA-Senke besitzen. Um die Genauigkeit zu erhalten, liegt die Lastregelung bei 0,1 ppm/mA. Die Leitungsregelung liegt typisch bei 1,4 ppm/V, wenn die Versorgungspins der Eingangsspannung miteinander verbunden sind, und unter 0,1 ppm/V, wenn die Eingangs-Pins aus unabhängigen Versorgungen gespeist werden.

Für ein besseres Verständnis der Eigenschaften des LT6658 ist in Bild 1 eine typische Anwendung dargestellt. Der LT6658 besteht aus einer Bandlückenstufe, einer Rauschminderungsstufe und zwei Ausgangs-Buffern. Die Bandlückenstufe und die beiden Ausgangsbuffer werden separat versorgt, um eine ausgezeichnete galvanische Trennung zu erzielen. Jeder Ausgangsbuffer hat für eine optimale Lastregelung einen Kelvin-Fühl/Rückkoppel-Pin.

Die Rauschminderungsstufe besteht aus einem 400-Ohm-Widerstand und einem Pin für einen externen Kondensator. Das RC-Netzwerk agiert als Tiefpassfilter, das das Rauschband der Bandlückenstufe begrenzt. Der externe Kondensator kann die Rauschbandbreite auf eine sehr kleine Frequenz beliebig stark reduzieren.

Als Regler liefert der LT6658 150 mA aus dem VOUT1_F-Pin sowie 500 mA aus dem VOUT2_F-Pin. Beide Pins nehmen 20 mA auf. Die Fähigkeit, als aktive Senke zu agieren, hilft dabei, ein sehr gutes Einschwingverhalten zu erzielen, und erlaubt ein schnelles Einschwingen. Das Einschwingen ist kurz, wobei die präzise Lastregelung von 0,1 ppm/mA erhalten bleibt.

 

Themen auf der nächsten Seite: Nachführen des Ausgangs, Versorgungsspannungsunterdrückung sowie Powermanagement und Schutzfunktionen.

Nachführen des Ausgangs

In Anwendungen, in denen mehrere Wandler unterschiedliche Spannungsreferenzen benutzen, führt der LT6658 die Ausgänge nach. Das gilt selbst dann, wenn die Ausgänge auf unterschiedliche Spannungen eingestellt sind. So lässt sich ein konsistentes Wandlungsergebnis sicherstellen. Möglich wird dies, weil die beiden Ausgänge des LT6658 aus einer gemeinsamen Spannungsquelle versorgt werden.

Die Ausgangsbuffer sind getrimmt, was zu einer präzisen Nachführung und geringem Drift führt. Wenn die Last an VOUT1_F von 0 auf 150 mA ansteigt, ändert sich der Ausgang VOUT2 um weniger als 12 ppm. Dies gelingt, weil das Verhältnis zwischen den Ausgängen genau beibehalten wird, selbst bei variierenden Last- und Betriebsbedingungen.

Versorgungsspannungsunterdrückung

Um die Versorgungsspannungsunterdrückung und Ausgangstrennung zu vereinfachen, hat der LT6658 drei Stromversorgungs-Pins. Der VIN-Pin liefert Strom für die Bandlückenschaltung, während VIN1 und VIN2 Strom für VOUT1 beziehungsweise VOUT2 liefern. Die einfachste Methode ist es, alle drei Versorgungs-Pins zu verbinden, was zu einer typischen DC-Versorgungsspannungsunterdrückung von 1,4 ppm/V an den Ausgängen führt.

Die gut getrennten Ausgangsbuffer dämpfen Lastspitzen vom benachbarten Buffer, um minimale Auswirkungen auf den benachbarten Ausgang sicherzustellen. Die Bilder 2a und 2b illustrieren die Trennung von Ausgangskanal zu Ausgangskanal.

Powermanagement und Schutzfunktionen

Die drei Versorgungs-Pins helfen dabei, die Menge der Wärmeentwicklung im Gehäuse zu managen. Wenn etwa ein hoher Strom geliefert wird, wird die Versorgungsspannung gesenkt, um die Verlustleitung im LT6658 zu minimieren. An der Ausgangsschaltung liegt dann eine kleinere Spannung an, was zu geringerer Verlustleitung und höherem Wirkungsgrad führt.

Ein Ausgangssperr-Pin (OD) schaltet die Ausgangsbuffer aus und bringt die VOUT_F-Pins in einen hochohmigen Zustand. Dies ist bei Auftreten eines Fehlers nützlich. Wenn zum Beispiel ein Verbraucher defekt wird und einen Kurzschluss verursacht, kann dies von einer externen Schaltung gemessen und dann beide Ausgänge deaktiviert werden.

Der LT6658 wird im MSE-16-Gehäuse mit exponierten Pads ausgeliefert. Wenn die Versorgungsspannung hoch ist, ist der Wirkungsgrad klein, was in einer starken Wärmeentwicklung im Gehäuse resultiert. Eine Versorgungsspannung von 32,5 V bei voller Last hat zum Beispiel 30 V * 0,2 A überschüssige Leistung an der Ausgangsschaltung. Die Gesamtmenge an überschüssiger Leistung beträgt 6 W, was die interne Chiptemperatur auf 210 °C über die Umgebungstemperatur erhöht. Um das Bauteil zu schützen, deaktiviert eine thermische Abschaltfunktion die Ausgangsbuffer, wenn die Temperatur 165 °C überschreitet.

 

Auf der nächsten Seite geht es um verringertes Rauschen und konkrete Anwendungen.

Verringertes Rauschen

Für Datenwandler und andere Präzisionsanwendungen ist das Rauschen ein wichtiger Parameter. Der rauscharme LTC6658 kann durch das Hinzufügen eines Kondensators an den NR-Pin (Noise Reduction) noch rauschärmer gemacht werden. Ein Kondensator am NR-Pin bildet mit dem 400-Ohm-Wideerstand auf dem Chip einen Tiefpassfilter. Ein großer Kondensator verkleinert die Filterfrequenz und deswegen das integrierte Rauschen insgesamt. Bild 3 zeigt den Effekt auf den NR-Pin beim Erhöhen der Kondensatorwerte.

Durch Erhöhen des Werts auch des Ausgangskondensators lässt sich das Rauschen weiter verringern. Wenn sowohl die Werte der NR- als auch die der Ausgangskondensatoren erhöht werden, kann das Ausgangsrauschen auf wenige Mikrovolt reduziert werden. Der LT6658 arbeitet stabil mit einer Ausgangskapazität zwischen 1 µF und 50 µF. Der Ausgang bleibt auch bei großer Kapazität stabil, wenn ein 1-µF-Keramikkondensator parallel geschaltet ist. Bild 3b zeigt eine Schaltung mit einem 1-µF-Kondensator parallel zu einem 100-µF-Poly-Aluminium-Kondensator. Diese Konfiguration bleibt stabil und verringert gleichzeitig die Rauschbandbreite. Bild 3c illustriert das Rauschen für unterschiedliche Werte des Ausgangskondensators. In allen drei Fällen gibt es einen kleinen 1-µF-Kondensator parallel zu einem größeren Kondensator.

Ein Nachteil dieser Schaltung sind Rauschspitzen, die sich zum gesamten integrierten Rauschen addieren können. Um diese Rauschspitzen zu reduzieren, kann ein 1-Ohm-Widerstand in Reihe zu dem großen Ausgangskondensator geschaltet werden, wie in Bild 4a dargestellt. Das Rauschen der Ausgangsspannung und das gesamte integrierte Rauschen sind in den Bildern 4b beziehungsweise 4c zu sehen.

Konkrete Anwendungen

Der LT6658 kann eine stetige präzise Versorgung für eine Vielzahl von anspruchsvollen Applikationen liefern. In der Mixed-Signal-Welt werden Datenwandler häufig von Mikrocontrollern oder FPGAs gesteuert. Sensoren liefern Signale an analoge Verarbeitungsschaltungen und Wandler, die alle eine saubere Stromversorgung benötigen. Der Mikrocontroller kann dabei mehrere Stromversorgungseingänge besitzen. Grundsätzlich gilt, dass verrauschte digitale Versorgungsspannungen für den Mikrocontroller von der sauberen und genauen analogen Versorgung und Referenz getrennt werden sollten. Die beiden Ausgänge des LT6658 haben eine sehr gute Trennung zwischen den Kanälen sowie die Fähigkeit, hohe Versorgungsströme zu liefern. Dies stellt die saubere Versorgung von mehreren empfindlichen analogen Schaltungen sicher.

Der LT6658 ist durch seine Fähigkeit, mit verrauschten Versorgungsspannungen zu arbeiten, auch gut für industrielle Umgebungen geeignet, in denen Lastspitzen aufgrund der Wandlung an einem Ausgang nur sehr wenig Auswirkung auf den anderen Ausgang haben. Die Schaltung in Bild 5 illustriert, wie der LT6658 verrauschte digitale Schaltungen versorgen kann und dabei eine saubere präzise Referenzspannung für einen Präzisions-A/D-Wandler bereitstellt.

In dieser Anwendung stellt der LT6658 (beziehungsweise ein separater Regler) auf einem Kanal einen 3,3-V-Spannungspegel für die Versorgung eines FPGAs (VCCIO) sowie einiger Zusatzlogik und am anderen Kanal 5 V für den Referenzeingang des 20-Bit-A/D-Wandlers bereit. Durch Umschalten der digitalen Versorgung zwischen dem LT6658 und dem Regler lässt sich beurteilen, wie gut der LT6658 das digitale Rauschen auf einem Kanal von dem Kanal, der den sauberen Referenzeingang des 20-Bit-A/D-Wandlers treibt, isolieren kann. Das in Bild 5b gezeigte Histogramm lässt keine wesentlichen Unterschiede erkennen zwischen dem Einsatz des LT6658 oder eines Regler für die Versorgung des FPGAs, was die robuste Regelung und Isolierung des LT6658 demonstriert.

Eck-DATEN

Der Präzisionsregler LT6658 besitzt die Fähigkeit, einen kombinierten 200-mA-Strom mit einem einzigen Baustein zu liefern. Dank Rauschunterdrückung, Trennung zwischen den Kanälen, Nachführung und Lastregelung eignet er sich für präzise Analog-Referenzen und belastbare Stromversorgungslösungen. Mit dieser neuen Lösung müssen Anwendungen keinen Kompromiss mehr zwischen Genauigkeit und Leistung eingehen.

Michael B. Anderson

Präzisionsregler
(Bild: Linear)
Senior Design Engineer bei der Signal Conditioning Produkt Group von Linear Technology (Analog Devices)

(ku)

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