Doppelte Schienenspannungsversorgung

Die leistungsstärksten Operationsverstärker benötigen oft eine geteilte Versorgung mit positiven und negativen Spannungen, die an die Versorgungsschienen der Operationsverstärker angeschlossen sind. In diesem Projekt werden wir eine positive/negative Dual-Rail-Stromversorgung für eine differentielle Oszilloskopsonde bauen, die ich entwerfe. Ich mache die Stromversorgung zu einem separaten Projekt, da eine Dual-Rail-Versorgung sehr nützlich ist und ich sicher bin, dass ich sie in Zukunft für mehrere Anwendungen nutzen werde.

In der Vergangenheit habe ich in diesem Blog über dual Power Supply Konfigurationen gesprochen, jedoch werden wir in diesem Projekt diesen Rat umsetzen und einen negativen Regler bauen.

Da meine differentielle Sonde an eine breite Palette von Signalen angeschlossen wird, möchte ich sicherstellen, dass die Stromversorgung der Operationsverstärker nicht nur sehr stabil und rauscharm ist, sondern auch vollständig sowohl vom Oszilloskop als auch vom Prüfgerät isoliert ist. Daher wird diese Platine von einer 9V-Batterie betrieben. AA-Batterien wären schön, jedoch würden sie einen Schaltregler sowohl für die positive als auch für die negative Versorgung benötigen, und mit nur zwei AA-Batterien wäre die Laufzeit begrenzt. Mehr als zwei AA-Batterien sind zu sperrig, und diese Probleme sind bei AAA-Batterien noch schlimmer. 

Die 9V-Batterie ist in einer Vielzahl von Geschäften zu niedrigen Kosten leicht erhältlich, es gibt wiederaufladbare Optionen und was für mich wichtig ist: Es gibt keine Versandbeschränkungen für sie. Lithium-Ionen-Batterien würden im Vergleich zur Verwendung einer 9V-Batterie eine erhebliche Komplexität zum Design hinzufügen, mit Lade- und Batterieüberwachungsschaltungen - außerdem ist es unglaublich schwierig, sie an meinen Wohnort geliefert zu bekommen. Wenn Sie eine tiefere Analyse verschiedener Batterietechnologien und deren Bezug zu Elektronikanwendungen lesen möchten, werfen Sie einen Blick auf meinen Octopart-Artikel über Batterien auswählen.

Wie bei all meinen Projekten können Sie die Open-Source-Altium Designer-Dateien für dieses Projekt auf meinem GitHub finden, lizenziert unter der permissiven MIT-Lizenz.

Vorteile der Verwendung einer Dualversorgung

Bei Verwendung eines Einzelversorgungs-Operationsverstärkers kann die Ausgangsspannung nur von nahe der Eingangsspannung bis nahe zum Boden reichen. Wie nahe, hängt vom spezifischen Operationsverstärker ab, wobei Rail-to-Rail-Verstärker Ausgangssignale fast vollständig bis zu den Versorgungsschienen erzeugen.

Wenn Sie mit Wellenformen arbeiten, die eine negative Komponente haben, wie z.B. Wechselstrom, oder wenn Sie benötigen, dass Ihr Ausgangsspannungsniveau genau 0 V beträgt, dann bietet Ihnen ein Operationsverstärker mit Dualversorgung die Vielseitigkeit, die Sie benötigen. Einige der leistungsstärksten Operationsverstärker auf dem Markt sind ebenfalls mit einer Dualversorgungsspannung konzipiert, daher kann eine Dualversorgungsspannung erforderlich sein, wenn Sie an die Grenzen gehen möchten.

Einige Operationsverstärker können verlangen, dass die maximalen/minimalen Eingangsspannungen mehrere Volt von der Versorgungsschiene entfernt sind. Wenn Sie eine 5-Volt-Einzelversorgung bei einem Operationsverstärker mit einem 2-Volt-Mindestoffset verwenden, haben Sie nur 1 Volt nutzbaren Eingangsbereich. Schienen-zu-Schienen-Verstärker können dieses Problem lösen, ebenso wie eine Dualversorgung. 

Für meine differentielle Sonde erwarte ich hauptsächlich Wechselstrom-Wellenformen zu betrachten, unter Verwendung einiger sehr leistungsfähiger Operationsverstärker, was die Verwendung einer geteilten Versorgung für deren Betrieb notwendig macht. 

Negative Schiene

In einem vorherigen Projekt habe ich eine negative Stromversorgung für einen Operationsverstärker mit Hilfe einer Ladungspumpe erstellt, allerdings benötigte dieses Projekt nur einen minimalen Versorgungsstrom und eine geringe Qualität der Spannungsschiene. Ich möchte, dass diese duale Versorgung sehr hochwertige Leistung bei 80mA oder mehr liefert. Obwohl das nicht viel Strom ist, ist es mehr als viele Ladungspumpen bieten können, und ich benötige deutlich weniger Rauschen.

Die Topologie für die negative Schiene dieser Versorgung wird ein Schaltnetzteil sein, um eine -5,5V Versorgung zu erzeugen, welche durch einen LC-Filter gereinigt wird, der in einen linearen Regler einspeist. 

Schaltregler

Viele Ingenieure sehen heutzutage negative Spannungen fast als etwas Mythisches an, da die meisten modernen Geräte nur eine einzige positive Versorgung benötigen, um zu funktionieren. Es ist jedoch wirklich nichts Besonderes, eine negative Spannung zu erzeugen. Wenn Sie einen Spannungsregler mit Herabsetzung entwerfen können, können Sie auch einen negativen Regler entwerfen - die Theorie ist genau dieselbe.

Um die -5,5V Versorgung zu erstellen, verwende ich den Maxim/Analog MAX17578 4,5V bis 60V, 1A Hoch-Effizienz, synchronen, invertierenden Ausgang DC-DC Wandler. Schaltregler sind bei geringen Lasten nicht großartig, doch selbst bei 80mA Last auf diesem Regler sollte er immer noch mit etwa 66% Effizienz arbeiten. Das mag nicht sehr effizient klingen, jedoch ist es weit höher als jeder andere zu diesem Zeitpunkt des Designs vorrätige Regler.

Linearregler

Das endgültige Ausgangssignal der negativen Schiene wird durch einen ultra geräuscharmen Linearregler bereitgestellt, den Analog Devices ADP7182. Um das Schaltrauschen vom -5,5V Regler zu entfernen, habe ich einen LC-Filter am Eingang hinzugefügt. Der Regler sollte in der Lage sein, mit dem Schaltrauschen umzugehen, jedoch ist es immer eine gute Idee, so viel wie möglich zu unterstützen, wenn man auf geringes Rauschen abzielt.

Der LC-Filter könnte vollkommen in der Lage sein, für einige Anwendungen saubere genug Energie zu liefern, was den teuren Linearregler überflüssig macht, daher erlaubt ein 0-Ohm-Widerstand, den Eingang und Ausgang des Linearreglers kurz zu schließen. Eine Designvariante stellt sicher, dass dieser Widerstand nicht in die BOM oder Montageinformationen gelangt, wenn er nicht benötigt wird.

Während ich diesen Regler zunächst für +/-4,8V benötige, möchte ich, dass dieses Design vielseitig und für andere Anwendungen geeignet ist. Deshalb habe ich einen Trimmerpotentiometer zum Einstellpin des Reglers hinzugefügt, der es ermöglicht, die Spannung von -4,2V bis -5,2V anzupassen. Ein Mehrgangpotentiometer wäre hier ideal, aber die mechanischen Einschränkungen, wie ich mir die Verwendung dieser Platine vorstelle, beschränken mich auf ein Eingangpotentiometer.

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Positive Schiene

Die positive Stromschiene ist viel einfacher als die negative, mit nur einem linearen Regler, der an die Batterie angeschlossen ist. Bei geringem Stromverbrauch ist kein Schaltregler erforderlich. Der Betrieb des Reglers direkt von der Batterie aus gewährleistet das niedrigste Rauschen an seinem Eingang.

Das Schaltbild für den positiven Regler ähnelt sehr dem des negativen Reglers, da der lineare Regler ADP7102 von Analog Devices zur gleichen Familie wie der negative Regler gehört. Auch hier kann die Spannung von +4,2V bis +5,2V mit dem gleichen Trimmerpotentiometermodell wie beim negativen Regler eingestellt werden.

Der positive Regler verfügt ebenfalls über einen Spannungsteiler für den Enable-Pin, während der Linearregler auf der negativen Schiene diese Funktion nicht benötigt, da der Schaltregler diese Funktion bereitstellt.

Niedrigbatterie-Warnung

Ich mag es, Dinge zu überdimensionieren, daher habe ich für dieses Projekt eine übertriebene Niedrigbatterie-Warnung. Anstatt nur eine LED leuchten zu lassen, wenn die Batterie schwach ist, werde ich stattdessen eine blinkende Niedrigbatterie-LED haben.

Ich verwende einen Operationsverstärker (IC5), um den niedrigen Batteriestand zu erkennen, dessen Ausgang einen Relaxationsoszillator-Schaltkreis antreibt, der einen weiteren Operationsverstärker (IC6) nutzt. Ein anderer Name für einen Relaxationsoszillator ist ein astabiler Multivibrator. Der Relaxationsoszillator steuert einen MOSFET, der die LED blinken lässt. Der Oszillator-Operationsverstärker hat einen ausreichend niedrigen Stromverbrauch, um ihn direkt vom Ausgang des Niederspannungsdetektionsverstärkers zu betreiben.

Ein Relaxationsoszillator erzeugt einen Rechteckwellenausgang, dieser ist für eine Frequenz von etwa 1Hz und einen Tastgrad von 50% ausgelegt. Ein Relaxationsoszillator lädt einen Kondensator, in diesem Fall C21, der mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist mit einem Spannungsteiler verbunden. 

Während der Kondensator entladen ist, wird seine Spannung unter dem nicht-invertierenden Eingang liegen, was dem Kondensator erlaubt, sich über den Ausgang des Operationsverstärkers durch R29 aufzuladen. Sobald der Kondensator aufgeladen ist, wird der invertierende Eingang eine höhere Spannung als der nicht-invertierende Eingang haben, und der Ausgang des Operationsverstärkers kippt, was dem Kondensator erlaubt, mit dem Entladen zu beginnen.

PCB-Layout

Das PCB für dieses Projekt ist relativ einfach, die Größe der Platine wird durch den Batteriehalter, den Stromanschluss und die Notwendigkeit einer Montageposition für eine Abstandshalterung zwischen den Platinen bestimmt. Die Platine wird eine 1 mm dicke, vierlagige Platine sein. Beide inneren Ebenen sind Ground-Pours, mit den äußeren Lagen für die Signalverdrahtung. Dies stellt sicher, dass die Routen einen ausgezeichneten Rückweg auf einer benachbarten Schicht haben. 

Die Platine hat viele Durchkontaktierungen (Stitching Vias), um die Ground-Netze gründlich miteinander zu verbinden, mit dem Ziel, geleitete und abgestrahlte Störungen zu reduzieren. Das Layout des Schaltreglers ist nur ein typisches Layout für den geschalteten Modus, wobei die Layouts der Linearregler nicht übermäßig kritisch sind.

Ich habe versucht, den Schaltregler so weit wie sinnvoll vom Stromanschluss entfernt zu halten, während ich die Linearregler so nah wie möglich an ihren Ausgangspins halte. 

Die Massefläche bietet einen ausgezeichneten thermischen Pfad für den positiven Regler, der die meiste Wärme abführen wird.

Ich habe Testpunkte auf der Platine angeordnet, sodass die kritischsten Signale (die Spannungsschienen) mit einem Oszilloskop und einer Federerdung verbunden werden können, um die Länge der Masseleitung zu minimieren. Das Testen jeglicher Hardware, die eine Schaltkomponente enthält, mit der Erdungsleitung am Oszilloskop ist eine großartige Möglichkeit, Nahfeldrauschen zusätzlich zu oder anstelle des Signals aufzunehmen, nach dem Sie eigentlich suchen.

Leistungstests

Es hat keinen Sinn, einen Regler zu bauen, wenn man ihn nicht ausprobieren will, also lasst uns den Regler an das Labornetzteil anschließen und ihn mit meiner Gleichstromlast testen, um zu sehen, wie er sich verhält. Alle unten aufgeführten Tests wurden mit dem Labornetzteil durchgeführt, jedoch habe ich die Lasten auch mit dem Regler an einer Batterie betrieben überprüft, die Ergebnisse waren nicht zu unterscheiden.

Während die Stromtests durch einen ziemlich dünnen Drahtjumper in die Platine durchgeführt werden, zeigen die Überprüfungen der Onboard-Spannungen sowohl mit meinem Tischmultimeter als auch mit meinem Handmultimeter, dass die Ablesungen an der Gleichstromlast innerhalb ein paar Millivolt dessen liegen, was auf der Platine ist.

Negative Schiene

Beim Starten der Tests auf der negativen Versorgungsseite beträgt die Leerlaufspannung 4,8149V. Ich könnte dies wahrscheinlich noch etwas besser einstellen, aber ich war ungeduldig zu sehen, wie es unter Last performen würde.

Meine Gleichstromlast unterstützt nur positive Spannungen, also habe ich einfach die negative Schiene als Erdreferenz verwendet und die Masse des Reglers als positiven Eingang. Soweit es die Gleichstromlast betrifft, handelt es sich hierbei um eine positive Spannung.

Den Lastwiderstand im Foto unten können Sie ignorieren, dies ist einen Bruchteil einer Sekunde bevor die Last angelegt wurde und die Gleichstromlast maß die Last, während sie den Strom hochfuhr.

Unter Last sehen wir einen Abfall der Ausgangsspannung um 24mV. Das Datenblatt behauptet eine Genauigkeit über Linie, Last und Temperatur von maximal +2%/minimal −3%. Mit einer halben Prozent Abweichung in der Spannung fällt dies definitiv innerhalb dieser Behauptung bei 80mA.

Angesichts der Tatsache, dass der Regler bei seiner Auslegungslast gut funktioniert, wollte ich ihn auf 200% belasten, um zu sehen, wie er sich schlagen würde. Der Regler ist für eine Last von -200mA ausgelegt, also sollte er absolut in Ordnung sein. Die Spannung fiel unter der erhöhten Last um 44,2mV, aber das ist immer noch nur ein 1%iger Abfall und liegt gut innerhalb der Angaben des Datenblatts.

Wenn ich mir den Schaltregler auf meinem Oszilloskop ohne angelegte Last anschaue, sieht alles stabil aus und er handhabt die sehr niedrige Last sehr gut. Die einzige Last auf diesem Regler ist alles Parasitäre plus die 4mA Strom, die die LED antreiben. Einige Schaltregler kommen mit so wenig Last einfach nicht zurecht, daher ist es schön zu sehen, dass alles stabil ist. 

Wenn ich die Gleichstromlast einschalte, eingestellt auf einen Stromverbrauch von 80mA, sieht der Ausgang des Schaltreglers viel mehr so aus, wie man es von einem Schaltmodusregler erwarten würde. Wenn wir die RMS-Spannungsmessung zum Display hinzufügen, können wir sehen, dass, während das Spitze-Spitze-Rauschen bei etwa 26mV liegt, das RMS-Rauschen nur etwa 2,2mV beträgt.

Wenn wir uns das Signal nach dem LC-Filter ansehen, können wir feststellen, dass das gesamte Schaltrauschen vollständig entfernt wurde, jedoch ist das Signal ein wenig durcheinander. Für meine erste Anwendung dieses Boards wird der lineare Regler definitiv auf dem Board bleiben, da der lineare Regler dieses Durcheinander schön aufräumt.

Positive Schiene

Auf der positiven Schiene können wir die gleichen Tests durchführen, um zu sehen, wie vergleichbar die linearen Regler sind. Ich habe die Regler so ausgewählt, dass sie eine gute Leistungsübereinstimmung haben, aber es ist immer die Frage, wie gut die Dinge in der realen Welt im Vergleich zum Papier funktionieren.

Ohne Last habe ich die Spannung ein wenig höher eingestellt als beim negativen Regler, bei 4,8492V.

Unter der vorgesehenen Last von 80mA können wir sehen, dass die Spannung ein wenig weniger als beim negativen Regler gefallen ist, mit einem Verlust von nur 18,6mV. Das ist ein wenig unter 0,4 Prozent der ursprünglichen Spannung. Obwohl dies genauer als beim negativen Regler ist, macht das Sinn, da das Datenblatt des positiven Reglers ebenfalls eine höhere Präzision mit einer Genauigkeit über Linie, Last und Temperatur von −2%, +1% angibt. 

Erhöht man die Last auf 200 %, fällt die Spannung um 30 mV oder 0,6 % der ursprünglichen eingestellten Spannung. Auch das ist immer noch besser als der negative Regler, aber es überrascht mich etwas, da der positive Regler eine Strombewertung von 300 mA hat, im Gegensatz zu den 200 mA des negativen Spannungsreglers. Der Spannungsabfall liegt jedoch immer noch gut innerhalb der Spezifikationen des Datenblatts.

Kombinierte Spannung

Das Testen jeder Spannungsschiene ist interessant, um die Leistung jedes Reglers zu sehen, ist jedoch darüber hinausgehend etwas bedeutungslos, außer zu verifizieren, dass die Regler wie erwartet funktionieren. In der realen Welt werden meine Operationsverstärker mit der dualen Versorgungsspannung gespeist, wobei die Regler gleichmäßig belastet werden.

Ich habe den positiven Regler mit dem positiven Eingang meiner Gleichstromlast verbunden und die negative Versorgung mit dem Erdungseingang für meine Gleichstromlast. Dies zeigt eine Spannung von 9,6574 V an die Gleichstromlast ohne Belastung der Versorgung.

Fügt man die Entwurfslast von 80 mA zum Regler hinzu, sehen wir einen Abfall von 22,1 mV oder nur 0,2 % der ursprünglichen Spannung. Ich bin mit diesem Ergebnis sehr zufrieden, da ich weiß, dass meine Operationsverstärker eine sehr stabile Spannung erhalten werden, auch wenn sich ihre Last während des Gebrauchs ändern könnte. Dies sollte sicherstellen, dass ich sehr konsistente Ausgaben habe.

Erhöhung des Stroms auf 200%, haben wir jetzt einen Gesamtspannungsabfall von 32mV oder etwas mehr als 3 Prozent der unbelasteten Spannung.

Wenn ich mit meinem Oszilloskop den Ausgang der Reglerplatine unter Last betrachte, ist das Ergebnis etwas ernüchternd. Obwohl es scheint, als ob viel Lärm und Aktivität vorhanden wäre, mit dem Oszilloskop, das 242 Mikrovolt RMS-Rauschen misst, ist dies nicht die Reglerplatine, die wir sehen. Der untenstehende Screenshot hat 2 Sekunden Persistenz aktiviert und ist farbkodiert, um die am häufigsten auftretenden Signale zu zeigen.

Was meine ich also damit, dass dies nicht die Reglerplatine ist, die wir sehen? Leider ist der Rauschboden meines Oszilloskops einfach zu hoch. Mein Rigol MSO5354 Oszilloskop misst 450 Mikrovolt RMS-Rauschen, wenn es einen 47 Ohm Durchsteck-Axialwiderstand mit der Sonde misst (ein Bein um das Erdungsband gewickelt, das andere Bein um die Spitze der Sonde). Es gibt also keine Möglichkeit, dass ich direkt die 15-18 Mikrovolt Rauschen messen kann, die die Datenblätter mir von diesen linearen Reglern erwarten lassen. Obwohl enttäuschend, finde ich es amüsant, dass das gemessene Rauschen von meiner Reglerplatine niedriger ist als das Rauschen, das von einem Widerstand gemessen wurde.

Ich habe diesen Test auch mit dem Regler durchgeführt, der mit einer Batterie betrieben und mit einem 100-Ohm-Widerstand belastet wurde, um zu sehen, ob die Rauschleistung irgendwie anders war, wodurch meine Testausrüstung als Rauschquelle ausgeschlossen wurde. Abgesehen davon, dass der Widerstand sehr heiß wurde und ziemlich schlecht roch, gab es keinen erkennbaren Unterschied auf dem Oszilloskop zwischen den beiden Eingangsspannungs-/Lastmethoden.

Abschließende Gedanken

Obwohl ich mir wünsche, dass meine Testeinrichtung es mir ermöglichen würde, genauer auf das Rauschniveau an den Ausgängen zu schauen, bin ich dennoch mit dem Ergebnis dieses Reglerdesigns zufrieden. Es ist immer schön, die Grenzen der Testausrüstung mit Projekten auszureizen. 

Zusätzlich zu den oben genannten Tests hat die Platine auch über einen Tag lang bei 200% Last ohne Anzeichen von Ausfall oder Stress verbracht. Der positive lineare Regler war die heißeste Komponente auf der Platine und erreichte etwa 65 Grad Celsius. (149°F), während die Raumtemperatur meines Labors einen schwülen schottischen Sommerhöhepunkt von 22,5°C (72°F) erreichte.

In meinem nächsten Projekt werde ich diese Platine in Aktion setzen, indem ich drei Hochleistungsoperationsverstärker betreibe, während ich eine differentielle Oszilloskopsonde baue, die die Grenzen meiner Testausrüstung noch weiter strapazieren wird.

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