Alimentazione a Doppio Binario di Tensione

Gli amplificatori operazionali di più alta prestazione spesso necessitano di un'alimentazione divisa con tensioni positive e negative collegate ai binari di alimentazione degli op amp. In questo progetto, andremo a costruire un'alimentazione duale positiva/negativa per una sonda oscilloscopica differenziale che sto progettando. Sto rendendo l'alimentazione un progetto separato, poiché un'alimentazione a doppio binario è piuttosto utile da avere, e sono sicuro che troverò molteplici utilizzi per essa in futuro.

In passato, ho parlato in questo blog di configurazioni di alimentazione duale, tuttavia in questo progetto implementeremo quel consiglio e costruiremo un regolatore negativo.

Dato che la mia sonda differenziale sarà connessa a un'ampia gamma di segnali, voglio assicurarmi che l'alimentazione agli op amp sia non solo molto stabile e a basso rumore, ma anche completamente isolata sia dall'oscilloscopio che dal dispositivo in prova. Pertanto, questa scheda sarà alimentata da una batteria da 9V. Le batterie AA sarebbero ideali, tuttavia avrebbero bisogno di un regolatore di commutazione sia per l'alimentazione positiva che per quella negativa, e con solo due batterie AA il tempo di funzionamento sarebbe limitato. Più di due batterie AA sono troppo ingombranti, e questi problemi sono peggiori con le batterie AAA. 

La batteria da 9V è facilmente reperibile in una vasta gamma di negozi a basso costo, esistono opzioni ricaricabili e, cosa importante per me: non ci sono restrizioni sulla loro spedizione. L'utilizzo di batterie agli ioni di litio aggiungerebbe una notevole complessità al progetto, con circuiti di ricarica e monitoraggio della batteria - inoltre, è incredibilmente difficile farle consegnare dove vivo. Se desideri leggere un'analisi più approfondita sulle diverse tecnologie delle batterie e come si relazionano con le applicazioni elettroniche, dai un'occhiata al mio articolo su Octopart riguardante la scelta delle batterie.

Come per tutti i miei progetti, puoi trovare i file open source di Altium Designer per questo progetto sul mio GitHub, con licenza MIT permissiva.

Vantaggi dell'Uso di un'Alimentazione Duale

Quando si utilizza un op amp a singola alimentazione, la tensione di uscita può variare solo da vicino all'ingresso di tensione fino a vicino al terra. Quanto vicino, dipende dal specifico op amp, con gli amplificatori rail-to-rail che generano segnali di uscita quasi completamente fino ai binari di alimentazione.

Se stai lavorando con forme d'onda che presentano una componente negativa, come l'AC, o hai bisogno che il tuo livello di tensione in uscita sia esattamente 0v, allora un op amp a doppia alimentazione ti offrirà la versatilità di cui hai bisogno. Alcuni degli op amp di più alta prestazione sul mercato sono progettati anche con il requisito di una tensione di alimentazione doppia, quindi se hai bisogno di spingere al limite una tensione di alimentazione doppia può essere obbligatoria.

Alcuni op amp possono richiedere che le tensioni di ingresso massime/minime siano di diversi volt rispetto al binario di alimentazione. Se stai utilizzando un singolo alimentatore da 5 volt su un op-amp con un offset minimo di 2 volt, hai solo 1 volt di intervallo di ingresso utilizzabile. Gli amplificatori rail-to-rail possono risolvere questo problema, così come un'alimentazione doppia. 

Per la mia sonda differenziale, mi aspetto di esaminare principalmente forme d'onda AC, utilizzando alcuni op amp di altissima prestazione, il che necessita l'uso di un'alimentazione divisa per alimentarli. 

Binario Negativo

In un progetto precedente, ho creato un'alimentazione negativa per un amplificatore operazionale utilizzando una pompa di carica, tuttavia quel progetto richiedeva solo una corrente di alimentazione minima e una qualità del binario di tensione. Vorrei che questa alimentazione duale fornisse energia di altissima qualità a 80mA o più. Anche se non si tratta di molta corrente, è più di quanto offrano molte pompe di carica, e ho bisogno di un rumore sostanzialmente inferiore.

La topologia per il binario negativo di questa alimentazione sarà un alimentatore switching per generare un'alimentazione di -5,5V, che sarà purificata da un filtro LC che alimenta un regolatore lineare. 

Regolatore Switching

Molti ingegneri oggigiorno vedono le tensioni negative come qualcosa di quasi mitico poiché la maggior parte dei dispositivi moderni richiede solo un'unica alimentazione positiva per funzionare. Tuttavia, non c'è davvero nulla di complicato nella creazione di una tensione negativa, se sai progettare un regolatore di tensione step-down puoi progettare un regolatore negativo - la teoria è esattamente la stessa.

Per creare l'alimentazione a -5,5V, sto utilizzando il convertitore DC-DC sincrono ad alta efficienza con uscita invertente da 4,5V a 60V, 1A di Maxim/Analog, il MAX17578. I regolatori a commutazione non sono ottimali sotto carichi bassi, tuttavia, anche con un carico di 80mA su questo regolatore, dovrebbe ancora operare con un'efficienza del circa 66%. Questo potrebbe non sembrare molto efficiente, tuttavia è molto più alto di qualsiasi altro regolatore disponibile in magazzino al momento della progettazione.

Regolatore Lineare

L'uscita finale del ramo negativo è fornita da un regolatore lineare ultra a basso rumore, l'ADP7182 di Analog Devices. Per rimuovere il rumore di commutazione dal regolatore a -5,5V, ho aggiunto un filtro LC all'ingresso. Il regolatore dovrebbe essere in grado di gestire il rumore di commutazione, tuttavia è sempre una buona idea facilitare le cose il più possibile quando si mira a un basso rumore.

Il filtro LC potrebbe essere perfettamente capace di fornire energia sufficientemente pulita per alcune applicazioni, consentendo di rimuovere il costoso regolatore lineare, quindi un resistore da 0 ohm permette di cortocircuitare l'ingresso e l'uscita del regolatore lineare. Una variante di progetto assicura che questo resistore non venga incluso nel BOM o nelle informazioni di assemblaggio quando non è necessario.

Mentre il mio primo utilizzo per questo regolatore richiede +/-4.8V, desidero che questo progetto sia versatile e applicabile ad altri usi. Pertanto, ho aggiunto un potenziometro trimmer al pin di regolazione del regolatore, consentendo di regolare la tensione da -4.2V a -5.2V. Un potenziometro multigiro sarebbe l'ideale qui, ma i vincoli meccanici di come immagino che questa scheda venga utilizzata mi limitano a un potenziometro a singolo giro.

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Binario Positivo

Il binario di alimentazione positivo è molto più semplice di quello negativo, con solo un regolatore lineare connesso alla batteria. Con un basso assorbimento di corrente, non c'è bisogno di un regolatore switching. Alimentare il regolatore direttamente dalla batteria garantisce il minimo rumore sul suo ingresso.

Lo schema per il regolatore positivo è molto simile a quello del regolatore negativo poiché il regolatore lineare ADP7102 di Analog Devices appartiene alla stessa famiglia del regolatore negativo. Anche in questo caso, la tensione può essere regolata da +4.2V a +5.2V utilizzando lo stesso modello di potenziometro trimmer del regolatore negativo.

Il regolatore positivo ha anche un partitore di tensione per il pin di abilitazione, mentre il regolatore lineare sul binario negativo non necessita di questa caratteristica poiché il regolatore a commutazione fornisce questa funzione.

Avviso di Batteria Scarica

Mi piace fare le cose in modo eccessivo, quindi per questo progetto ho un avviso di batteria scarica sopra le righe. Piuttosto che avere semplicemente un LED che si accende quando la batteria è scarica, ho intenzione di avere un LED di batteria scarica che lampeggia.

Sto utilizzando un amplificatore operazionale (IC5) per rilevare il livello di batteria scarica, il cui output alimenta un circuito oscillatore di rilassamento utilizzando un altro amplificatore operazionale (IC6). Un altro nome per un oscillatore di rilassamento è multivibratore astabile. L'oscillatore di rilassamento pilota un MOSFET che fa lampeggiare il LED. L'amplificatore operazionale dell'oscillatore ha un assorbimento di corrente sufficientemente basso da poterlo alimentare direttamente dall'uscita dell'amplificatore di rilevamento di bassa tensione.

Un oscillatore di rilassamento genera un'uscita a onda quadra, con questo progettato per una frequenza di circa 1Hz e un ciclo di lavoro del 50%. Un oscillatore di rilassamento carica un condensatore, C21 in questo caso, che è connesso all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale. L'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale è connesso a un partitore di tensione. 

Mentre il condensatore è scarico, la sua tensione sarà inferiore rispetto all'ingresso non invertente, permettendo al condensatore di caricarsi dall'uscita dell'op amp attraverso R29. Una volta che il condensatore è carico, l'ingresso invertente avrà una tensione superiore rispetto all'ingresso non invertente, e l'uscita dell'opamp si inverte permettendo al condensatore di iniziare a scaricarsi.

Layout PCB

Il PCB per questo progetto è relativamente semplice, la dimensione della scheda è determinata dal portabatterie, dal connettore di alimentazione e dalla necessità di un posizionamento per un distanziatore da inserire tra le schede. La scheda sarà spessa 1mm e composta da quattro strati. Entrambi i piani interni sono colate di terra, con gli strati esterni destinati al routing dei segnali. Questo garantisce che i percorsi abbiano un eccellente percorso di ritorno su uno strato adiacente. 

La scheda ha molti via di stitching per collegare accuratamente insieme le reti di terra, con l'obiettivo di ridurre il rumore condotto e irradiato. Il layout del regolatore di commutazione è semplicemente un layout tipico in modalità commutata, con i layout dei regolatori lineari che non sono eccessivamente critici.

Ho cercato di tenere il regolatore di commutazione il più lontano possibile dal connettore di alimentazione, mantenendo allo stesso tempo i regolatori lineari il più vicino possibile ai loro pin di uscita. 

Il ground pour fornisce un eccellente percorso termico per il regolatore positivo che sarà quello che dissiperà più calore.

Ho disposto i punti di test sulla scheda in modo che i segnali più critici (i binari di tensione) possano essere sondati con un oscilloscopio dotato di connessione a terra a molla per minimizzare la lunghezza del loop di terra. Testare qualsiasi hardware che contiene un componente di commutazione utilizzando il cavo di terra della sonda dell'oscilloscopio è un ottimo modo per raccogliere rumori di campo vicino in aggiunta o invece del segnale che si sta effettivamente cercando.

Test delle Prestazioni

Non ha senso costruire un regolatore se non si ha intenzione di provarlo, quindi mettiamo il regolatore sull'alimentatore da laboratorio e collegiamolo al mio Carico DC per vedere come si comporta. Tutti i test qui sotto sono stati eseguiti sull'alimentatore da laboratorio, tuttavia ho anche verificato i carichi con il regolatore funzionante su una batteria, i risultati erano indistinguibili.

Mentre i test di corrente vengono eseguiti attraverso un cavetto piuttosto sottile inserito nella scheda, controllando le tensioni a bordo sia con il mio multimetro da banco che con il multimetro portatile, le letture sul Carico DC sono entro un paio di millivolt di quanto presente sulla scheda.

Binario Negativo

Iniziando i test sul lato dell'alimentazione negativa, la tensione a vuoto è di 4,8149V. Probabilmente potrei regolarla un po' meglio, ma ero impaziente di vedere come si comportasse sotto carico.

Il mio carico DC supporta solo tensioni positive, quindi ho semplicemente usato il binario negativo come riferimento di terra e la terra del regolatore come ingresso positivo. Per quanto riguarda il carico DC, questa è considerata una tensione positiva.

Puoi ignorare la resistenza di carico nella foto qui sotto, si tratta di una frazione di secondo prima che il carico fosse applicato e il Carico DC stava misurando il carico mentre aumentava la corrente.

Sotto carico, possiamo vedere una caduta di 24mV in uscita. Il datasheet afferma un'accuratezza su linea, carico e temperatura di massimo +2%/minimo -3%. Con una deviazione di tensione di mezzo percento, rientra sicuramente in questa affermazione a 80mA.

Dato che il regolatore funziona bene al suo carico di progettazione, volevo spingerlo al 200% per vedere come si comporterebbe. Il regolatore è valutato per un carico di -200mA, quindi dovrebbe andare assolutamente bene. La tensione è scesa di 44,2mV sotto il carico aumentato, ma questo è ancora solo un calo dell'1%, e ben entro le affermazioni del datasheet.

Guardando il regolatore di commutazione sul mio oscilloscopio senza un carico applicato, le cose sembrano stabili e sta gestendo il carico molto basso molto bene. L'unico carico su questo regolatore è qualsiasi cosa parassitaria più i 4mA di corrente che alimentano il LED. Alcuni regolatori di commutazione semplicemente non sopportano questo piccolo carico, quindi è bello vedere che tutto è stabile. 

Accendendo il carico DC, impostato per un prelievo di corrente di 80mA, l'uscita del regolatore di commutazione assomiglia molto di più a ciò che ti aspetteresti che un regolatore a modo commutato sembri. Aggiungendo la misurazione della tensione RMS al display, possiamo vedere che mentre il rumore di picco a picco è di circa 26mV, il rumore RMS è solo di circa 2,2mV.

Dando un'occhiata al segnale dopo il filtro LC, possiamo vedere che tutto il rumore di commutazione è completamente rimosso, tuttavia il segnale è un po' un pasticcio. Per la mia applicazione iniziale di questa scheda, il regolatore lineare rimarrà sicuramente sulla scheda, poiché il regolatore lineare pulisce bene questo disordine.

Binario Positivo

Sul binario positivo, possiamo eseguire gli stessi test per vedere quanto i regolatori lineari siano comparabili. Ho scelto i regolatori per avere una buona corrispondenza di prestazioni, ma è sempre una questione di quanto bene le cose funzionino nel mondo reale piuttosto che sulla carta.

Senza carico, ho impostato la tensione un po' più alta di quella del regolatore negativo, a 4,8492V.

Sotto il carico progettato di 80mA, possiamo vedere che la tensione è scesa un po' meno del regolatore negativo, con una perdita di soli 18,6mV. Questo è un po' meno dello 0,4 percento della tensione originale. Anche se questo è più preciso del regolatore negativo, ha senso poiché il datasheet del regolatore positivo afferma anche una maggiore precisione con Precisione su linea, carico e temperatura di −2%, +1%. 

Aumentando il carico al 200%, la tensione scende di 30mV, ovvero lo 0,6% della tensione impostata originale. Anche questo risultato è comunque migliore rispetto al regolatore negativo, ma mi sorprende un po' dato che il regolatore positivo ha una corrente nominale di 300mA, piuttosto che i 200mA del regolatore di tensione negativo. La caduta di tensione è comunque ben entro le specifiche del datasheet.

Tensione Combinata

Testare ogni binario di tensione è interessante per vedere la performance di ciascun regolatore, tuttavia è in qualche modo privo di significato oltre a verificare che i regolatori stiano funzionando come previsto. Nel mondo reale, i miei amplificatori operazionali riceveranno la tensione di alimentazione duale, caricando i regolatori in modo equo.

Ho collegato il regolatore positivo all'ingresso positivo del mio carico DC, e l'alimentazione negativa all'ingresso di terra per il mio carico DC. Questo mostra una tensione di 9.6574V al carico DC senza alcun onere sull'alimentazione.

Aggiungendo al regolatore un carico di progettazione di 80mA, vediamo una caduta di 22.1mV, o solo lo 0,2% della tensione originale. Sono molto soddisfatto di questo risultato, sapendo che i miei amplificatori operazionali riceveranno una tensione molto stabile anche se il loro carico potrebbe cambiare durante l'uso. Questo dovrebbe garantire che io abbia output molto consistenti.

Aumentando la corrente al 200%, abbiamo ora una caduta di tensione totale di 32mV, ovvero poco più del 3 percento della tensione a vuoto.

Utilizzando il mio oscilloscopio per osservare l'uscita della scheda regolatrice, mentre è sotto carico, il risultato è alquanto poco illuminante. Anche se sembra che ci sia molto rumore e azione in corso, con l'oscilloscopio che misura 242 microvolt di rumore RMS, quello che vediamo non è la scheda regolatrice. Lo screenshot qui sotto ha 2 secondi di persistenza abilitata ed è colorato per mostrare i segnali che si verificano più frequentemente.

Quindi, cosa intendo dire con questo non è la scheda regolatrice che stiamo vedendo? Sfortunatamente, il piano di rumore del mio oscilloscopio è semplicemente troppo alto. Il mio oscilloscopio Rigol MSO5354 misura 450 microvolt di rumore RMS quando misura una resistenza assiale da 47 ohm con la sonda (una gamba avvolta intorno alla fascia di terra, l'altra gamba intorno alla punta della sonda). Quindi, non c'è modo che io possa misurare direttamente i 15-18 microvolt di rumore che i datasheet mi dicono di aspettarmi da questi regolatori lineari. Anche se deludente, trovo divertente che il rumore misurato dalla mia scheda regolatrice sia inferiore al rumore misurato da una resistenza.

Ho provato anche questo test con il regolatore alimentato da una batteria e caricato con una resistenza da 100 ohm per vedere se le prestazioni in termini di rumore erano diverse, escludendo così i miei strumenti di misura come fonte di rumore. A parte la resistenza che diventava molto calda e emanava un odore piuttosto sgradevole, non c'era alcuna differenza discernibile sull'oscilloscopio tra i due metodi di tensione di ingresso/carico.

Considerazioni Finali

Sebbene desiderassi che il mio setup di test mi permettesse di esaminare più da vicino il livello di rumore sulle uscite, sono comunque soddisfatto del risultato di questo design del regolatore. È sempre bello spingere ai limiti gli strumenti di test con i progetti. 

In aggiunta ai test sopra, la scheda ha anche trascorso oltre un giorno a un carico del 200% senza mostrare segni di fallimento o stress. Il regolatore lineare positivo era il componente più caldo sulla scheda, con una temperatura di circa 65 gradi Celsius (149°F) mentre la temperatura della stanza del mio laboratorio raggiungeva un picco estivo scozzese soffocante di 22,5°C (72°F).

Nel mio prossimo progetto, metterò in azione questa scheda alimentando tre amplificatori operazionali ad alte prestazioni mentre costruisco una sonda oscilloscopica differenziale che metterà ancora più alla prova i limiti dei miei strumenti di misura.

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