デュアルレール電圧供給

最高性能のオペアンプは、しばしば正と負の電圧がオペアンプの供給レールに接続された分割電源を必要とします。このプロジェクトでは、私が設計している差動オシロスコーププローブ用の正/負のデュアルレール電源を構築することになります。デュアルレール電源は非常に便利であり、将来的に複数の用途に使用することが確実なので、電源を別のプロジェクトとして作成しています。

過去に、このブログでデュアル電源構成について話しましたが、このプロジェクトではそのアドバイスを実装し、負のレギュレータを構築することになります。

私の差動プローブは幅広い信号に接続される予定なので、オペアンプへの電力が非常に安定しており、低ノイズであるだけでなく、オシロスコープとテスト対象のデバイスの両方から完全に隔離されていることを確認したいと考えています。したがって、このボードは9Vバッテリーで駆動されます。AAバッテリーも良い選択ですが、正と負の供給の両方にスイッチングレギュレータが必要になり、たった2つのAAバッテリーでは稼働時間が限られてしまいます。2つ以上のAAバッテリーはかさばりすぎますし、AAAバッテリーを使用するとこれらの問題はさらに悪化します。 

9V電池は、低コストで多種多様な店舗で容易に入手でき、充電式のオプションもあり、そして私にとって重要なのは、配送制限がないことです。リチウムイオン電池を使用すると、9V電池を使用する場合と比べて、充電回路や電池監視回路など、設計が大幅に複雑になります。さらに、私が住んでいる場所への配送が非常に困難です。異なる電池技術とそれらが電子アプリケーションにどのように関連するかについて、より深い分析を読みたい場合は、私のOctopartの記事電池の選択をご覧ください。

私のプロジェクトすべてにおいて、このプロジェクトのオープンソースAltium Designerファイルは、寛容なMITライセンスの下で私のGitHubにあります。

デュアルサプライを使用する利点

シングルサプライのオペアンプを使用する場合、出力電圧は入力電圧に近いところからグラウンドに近いところまでしか変化しません。どの程度近いかは、特定のオペアンプによりますが、レール・ツー・レールアンプは、供給レールにほぼ完全に到達する出力信号を生成します。

負の成分を持つ波形、例えばACを扱っている場合や、出力電圧レベルを正確に0vにする必要がある場合、デュアル電源オペアンプは必要な柔軟性を提供します。市場で最も高性能なオペアンプのいくつかも、デュアル電源電圧要件で設計されているため、限界を押し広げる必要がある場合、デュアル電源電圧が必須になるかもしれません。

一部のオペアンプでは、最大/最小入力電圧が電源レールから数ボルト離れている必要がある場合があります。2ボルトの最小オフセットを持つオペアンプに5ボルトの単一電源を使用している場合、使用可能な入力スパンは1ボルトしかありません。レール・トゥ・レールアンプはこの問題を解決できるかもしれませんし、デュアル電源も同様です。 

私の差動プローブについては、主にAC波形を見ることを期待しており、非常に高性能なオペアンプを使用することが、それらを動力するための分割電源の使用を必要とします。 

負のレール

以前のプロジェクトでは、オペアンプ用の負の電源をチャージポンプを使用して作成しましたが、そのプロジェクトでは最小限の供給電流と電圧レールの品質のみが必要でした。今回のデュアル電源では、80mA以上で非常に高品質の電力を提供したいと考えています。それは多くの電流ではありませんが、多くのチャージポンプが提供するものよりも多く、大幅に低いノイズが必要です。

この電源の負のレールのトポロジーは、-5.5Vの電源を生成するスイッチング電源であり、LCフィルターによってクリーンアップされ、リニアレギュレータに供給されます。

スイッチングレギュレータ

最近の多くのエンジニアは、ほとんどの現代のデバイスが単一の正の供給だけで動作するため、負の電圧をほとんど神話のように見ています。しかし、負の電圧を作ることに何も難しいことはありません。ステップダウン電圧レギュレータを設計できるなら、負のレギュレータも設計できます - 理論はまったく同じです。

-5.5Vの電源を作るために、Maxim/AnalogのMAX17578 4.5Vから60V、1Aの高効率、同期、反転出力DC-DCコンバーターを使用しています。スイッチングレギュレーターは低負荷下ではあまり良くないですが、このレギュレーターに80mAの負荷をかけた場合でも、約66%の効率で動作するはずです。これが非常に効率的でないように聞こえるかもしれませんが、設計時点で在庫がある他のどのレギュレーターよりもはるかに高いです。

リニアレギュレータ

負のレールの最終出力は、超低ノイズリニアレギュレーターであるAnalog Devices ADP7182によって提供されます。-5.5Vレギュレーターからのスイッチングノイズを除去するために、入力にLCフィルターを追加しました。レギュレーターはスイッチングノイズを処理できるはずですが、低ノイズを目指す場合はできるだけ多くの助けを借りることが常に良いアイデアです。

LCフィルターは、一部のアプリケーションに対して十分にクリーンな電力を供給できるかもしれません。これにより、高価なリニアレギュレーターを取り除くことができます。そのため、0オームの抵抗器がリニアレギュレーターの入力と出力を短絡することを可能にします。設計のバリアントは、この抵抗器が必要ない場合にBOMや組み立て情報に入らないようにします。

このレギュレーターを最初に使用する際には+/-4.8Vが必要ですが、この設計を汎用的で他の用途にも適用可能にしたいと考えています。そのため、レギュレーターの調整ピンにトリマーポットを追加し、電圧を-4.2Vから-5.2Vまで調整できるようにしました。ここではマルチターンポットが理想的ですが、このボードの使用方法を考えると、機械的な制約によりシングルターンポットに限定されます。

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正のレール

正の電源レールは負のものよりもはるかにシンプルで、バッテリーに接続されたリニアレギュレーターのみです。低電流引きのため、スイッチングレギュレーターは必要ありません。レギュレーターを直接バッテリーから動かすことで、その入力のノイズが最小限に抑えられます。

正のレギュレーターの回路図は負のレギュレーターと非常に似ており、Analog Devices ADP7102リニアレギュレーターは負のレギュレーターと同じファミリーに属しています。再び、電圧は負のレギュレーターと同じトリマーポットモデルを使用して+4.2Vから+5.2Vまで調整できます。

ポジティブレギュレータには、有効ピン用の電圧分割器がありますが、負のレール上の線形レギュレータにはこの機能が必要ありません。なぜなら、スイッチングレギュレータがこの機能を提供するからです。

低電池警告

私は物事を過剰に設計するのが好きなので、このプロジェクトでは、とても派手な低電池警告を用意しました。単に電池が低下したときにLEDが点灯するだけでなく、点滅する低電池LEDを用意するつもりです。

低電池レベルを検出するために1つのオペアンプ（IC5）を使用し、その出力で別のオペアンプ（IC6）を利用したリラクゼーション発振回路を駆動します。リラクゼーション発振器の別名はアスタブルマルチバイブレータです。リラクゼーション発振器はMOSFETを駆動し、LEDを点滅させます。発振器のオペアンプは、低電圧検出アンプの出力から直接駆動するのに十分な低電流を消費します。

リラクゼーション発振器は、正方形の波形出力を生成し、この場合は約1Hzの周波数と50%のデューティサイクルで設計されています。リラクゼーション発振器はキャパシタ、この場合はC21を充電し、それがオペアンプの反転入力に接続されます。オペアンプの非反転入力は電圧分割器に接続されています。 

コンデンサが放電されている間、その電圧は非反転入力よりも低くなり、コンデンサはオペアンプの出力からR29を通じて充電することができます。コンデンサが充電されると、反転入力が非反転入力よりも高電圧になり、オペアンプの出力が反転してコンデンサの放電が始まります。

PCBレイアウト

このプロジェクトのPCBは比較的シンプルで、ボードのサイズはバッテリーホルダー、電源コネクタ、およびボード間にスタンドオフを配置するための取り付け位置の必要性によって決まります。ボードは1mm厚の4層ボードになります。内部のプレーンは両方ともグラウンドプアで、外層は信号ルーティング用です。これにより、ルートは隣接層に優れたリターンパスを持つことが保証されます。 

ボードには、導電性および放射性ノイズを減らすことを目指して、グラウンドネットをしっかりと接続するための多くのステッチングビアがあります。スイッチングレギュレータのレイアウトは、典型的なスイッチモードレイアウトで、リニアレギュレータのレイアウトは特に重要ではありません。

スイッチングレギュレータをできるだけ電源コネクタから離れた場所に配置しようと努めましたが、リニアレギュレータは出力ピンにできるだけ近い場所に保持しています。 

グラウンドプアは、最も熱を発散するポジティブレギュレータにとって優れた熱経路を提供します。

基板上には、最も重要な信号（電圧レール）をオシロスコープでプローブできるように、スプリンググラウンド接続でグラウンドループの長さを最小限に抑えるように配置されたテストポイントがあります。スイッチングコンポーネントを含む任意のハードウェアをテストする際に、スコーププローブのグラウンドリードを使用することは、実際に探している信号の代わりに、または追加で近接場ノイズを拾う素晴らしい方法です。

性能テスト

レギュレータを構築する意味は、試してみないと分からないので、レギュレータをラボの電源供給装置に接続し、DCロードに接続してどのように機能するかを見てみましょう。以下のテストはすべてラボの電源供給装置で実施されましたが、レギュレータをバッテリーで動作させた際の負荷も確認しましたが、結果は区別がつかないものでした。

現在のテストは、基板にかなり細いワイヤージャンパーを介して実施されていますが、ベンチトップマルチメーターと携帯用マルチメーターの両方でオンボード電圧をチェックすると、DCロードの読み取り値は基板上のものと数ミリボルト以内です。

ネガティブレール

負の供給側でのテストを開始すると、無負荷電圧は4.8149Vです。もう少し調整できたかもしれませんが、負荷をかけたときの性能を見るのが待ちきれませんでした。

私のDC負荷は正の電圧のみをサポートしているので、単純に負のレールをグラウンド参照として、レギュレータのグラウンドを正の入力として使用しました。DC負荷にとって、これは正の電圧です。

下の写真の負荷抵抗は無視してください。これは負荷が適用される数分の一秒前で、DC負荷が電流を増加させるにつれて負荷を測定していました。

負荷下では、出力で24mVの低下が見られます。データシートは、線、負荷、および温度に対する精度を最大+2%/最小−3%と主張しています。電圧の半分のパーセントの偏差で、80mAでこの主張内に確実に収まっています。

レギュレータが設計負荷でうまく機能していることを確認した後、200％まで押し上げてどうなるか見てみたかったです。レギュレータは-200mAの負荷に対応しているので、問題ないはずです。負荷増加下で電圧は44.2mV下がりましたが、それでも1％の低下に過ぎず、データシートの主張の範囲内です。

負荷をかけずにオシロスコープでスイッチングレギュレータを見ると、安定しており、非常に低い負荷でもうまく処理しています。このレギュレータにかかる負荷は、寄生負荷とLEDを駆動するための4mAの電流だけです。一部のスイッチングレギュレータは、このような少ない負荷に対応できないので、すべてが安定しているのを見るのは良いことです。 

DC負荷をオンにし、電流引き出しを80mAに設定すると、スイッチングレギュレータの出力は、スイッチモードレギュレータがどのようなものか、より期待通りのものになります。表示にRMS電圧測定を追加すると、ピーク間ノイズが約26mVである一方で、RMSノイズは約2.2mVに過ぎないことがわかります。

LCフィルターを通した後の信号を見ると、スイッチングノイズが完全に除去されていることがわかりますが、信号は少し散らかっています。このボードの最初のアプリケーションでは、リニアレギュレーターが確実にボード上に残ることになります。なぜなら、リニアレギュレーターがこの混乱をきれいに整理してくれるからです。

正のレール

正のレールでは、リニアレギュレーターがどれほど比較可能かを見るために同じテストを実施できます。レギュレーターを良い性能のマッチングで選びましたが、紙の上ではなく実際の世界で物事がどれほどうまく機能するかは常に疑問です。

負荷がない状態で、負のレギュレーターよりも少し高い4.8492Vに電圧を設定しています。

設計された80mAの負荷下では、負のレギュレーターよりも少し電圧が下がったことがわかります。損失はわずか18.6mVです。これは元の電圧の約0.4パーセント未満です。これは負のレギュレーターよりも正確ですが、これは正のレギュレーターのデータシートが線、負荷、温度に対する精度を−2％、+1％と主張しているため理にかなっています。 

負荷を200%に増加させると、電圧は30mV、元の設定電圧の0.6%下がります。これは負のレギュレータよりもまだ良い結果ですが、正のレギュレータが300mAの電流定格を持っているのに対し、負の電圧レギュレータが200mAであることを考えると、やや驚きます。しかし、電圧降下はデータシートの仕様内に十分収まっています。

組み合わせ電圧

各電圧レールをテストすることは、各レギュレータの性能を見る上で興味深いですが、レギュレータが期待通りに動作していることを確認することを超えてはあまり意味がありません。実際の世界では、私のオペアンプはデュアルサプライ電圧を供給され、レギュレータに均等に負荷をかけることになります。

私は正のレギュレータをDC負荷の正の入力に接続し、負の供給をDC負荷のグラウンド入力に接続しています。これは、供給に負担がない状態でDC負荷に9.6574Vの電圧を示します。

レギュレータに80mAの設計負荷を加えると、22.1mVの降下、つまり元の電圧のわずか0.2%の降下を見ます。この結果には非常に満足しており、使用中に負荷が変わる可能性があっても、私のオペアンプが非常に安定した電圧を受け取ることを知っています。これは非常に一貫した出力を持つことを保証するはずです。

電流を200％に増加させると、合計電圧降下は32mVになり、無負荷電圧の3％をわずかに超えます。

負荷下でのレギュレータボードの出力をオシロスコープで見ると、それほど啓示的ではありません。多くのノイズや動きがあるように見えますが、オシロスコープで測定されるRMSノイズは242マイクロボルトですが、これは私たちが見ているレギュレータボードではありません。下のスクリーンショットには2秒の持続時間が有効になっており、最も頻繁に発生する信号を示すために色分けされています。

では、これがレギュレータボードではないとはどういう意味でしょうか？残念ながら、私のオシロスコープのノイズフロアが高すぎます。私のRigol MSO5354オシロスコープは、プローブで47オームのスルーホール軸方向抵抗器を測定するときに、RMSノイズで450マイクロボルトを測定します（一方の脚はグラウンドバンドに巻き付け、もう一方の脚はプローブの先端に巻き付けます）。したがって、これらのリニアレギュレータからデータシートが期待する15-18マイクロボルトのノイズを直接測定する方法はありません。がっかりすることはありますが、私のレギュレータボードから測定されたノイズが抵抗器から測定されたノイズよりも低いことが面白いと思います。

このテストを、レギュレーターをバッテリーで動かし、100オームの抵抗器で負荷をかけてノイズ性能に違いがあるかどうかを見るためにも試しました。これにより、テスト機器がノイズ源として除外されます。抵抗器が非常に熱くなり、かなり悪臭を放った以外は、二つの入力電圧/負荷方法の間にオシロスコープ上で識別可能な違いはありませんでした。

最終的な考察

出力のノイズレベルをもっと詳しく見ることができるテストセットアップがあればと思いますが、このレギュレーター設計の結果にはまだ満足しています。プロジェクトでテスト機器の限界を押し広げるのはいつも良いことです。

上記のテストに加えて、このボードは200%の負荷で1日以上も問題やストレスの兆し無く過ごしました。ポジティブリニアレギュレーターがボード上で最も熱くなるコンポーネントで、約65度セルシウス（149°F）に達しました。一方、私の研究室の室温は、スコットランドの夏のピークである22.5°C（72°F）に達しました。

次のプロジェクトでは、このボードを使って3つの高性能オペアンプを動かし、さらにテスト機器の限界を押し広げる差動オシロスコーププローブを構築します。

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