Fonte de Alimentação de Tensão Dupla Rail

Os amplificadores operacionais de maior desempenho muitas vezes necessitam de uma alimentação dividida com tensões positivas e negativas conectadas aos trilhos de alimentação dos op amps. Neste projeto, vamos construir uma fonte de alimentação dual positiva/negativa para uma sonda de osciloscópio diferencial que estou projetando. Estou fazendo da fonte de alimentação um projeto separado, pois uma fonte dual é bastante útil para se ter, e tenho certeza de que encontrarei múltiplos usos para ela no futuro.

No passado, já falei neste blog sobre configurações de fonte de alimentação dupla, no entanto, neste projeto, vamos implementar esse conselho e construir um regulador negativo.

Como minha sonda diferencial será conectada a uma ampla gama de sinais, quero garantir que a alimentação para os op amps seja não apenas muito estável e com baixo ruído, mas também completamente isolada tanto do osciloscópio quanto do dispositivo sob teste. Portanto, esta placa será alimentada por uma bateria de 9V. As baterias AA seriam boas, no entanto, precisariam de um regulador de comutação tanto para a alimentação positiva quanto para a negativa, e com apenas duas baterias AA o tempo de funcionamento seria limitado. Mais de duas baterias AA são muito volumosas, e esses problemas são piores com baterias AAA. 

A bateria de 9V está prontamente disponível em uma grande variedade de lojas a baixo custo, existem opções recarregáveis e, o que é importante para mim: não há restrições de envio para elas. Baterias de íon de lítio adicionariam uma complexidade substancial ao design em relação ao uso de uma bateria de 9V, com circuitos de carregamento e monitoramento de bateria - além disso, é incrivelmente difícil recebê-las onde moro. Se você gostaria de ler uma análise mais aprofundada sobre diferentes tecnologias de baterias e como elas se relacionam com aplicações eletrônicas, dê uma olhada no meu artigo no Octopart sobre escolha de baterias.

Como em todos os meus projetos, você pode encontrar os arquivos de Altium Designer de código aberto deste projeto no meu GitHub, licenciados sob a permissiva licença MIT.

Vantagens de Usar uma Alimentação Dupla

Ao usar um op amp de alimentação única, a tensão de saída só pode variar de perto da entrada de tensão até próximo ao terra. O quão perto, depende do op amp específico, com amps de trilho a trilho gerando sinais de saída quase completamente até os trilhos de alimentação.

Se você está trabalhando com formas de onda que têm um componente negativo, como AC, ou precisa que seu nível de tensão de saída seja exatamente 0v, então um amplificador operacional de dupla alimentação lhe dará a versatilidade que você requer. Alguns dos amplificadores operacionais de maior desempenho no mercado também são projetados com um requisito de tensão de alimentação dupla, portanto, se você precisa ultrapassar os limites, uma tensão de alimentação dupla pode ser obrigatória.

Alguns amplificadores operacionais podem exigir que as tensões máxima/mínima de entrada estejam a vários volts do trilho de alimentação. Se você está usando uma única alimentação de 5 volts em um op-amp com um deslocamento mínimo de 2 volts, você só tem 1 volt de faixa de entrada utilizável. Amplificadores rail-to-rail podem resolver esse problema, assim como uma alimentação dupla. 

Para a minha sonda diferencial, estou esperando estar olhando principalmente para formas de onda AC, usando alguns amplificadores operacionais de muito alta performance, o que necessita o uso de uma alimentação dividida para alimentá-los. 

Trilho Negativo

Em um projeto anterior, criei uma fonte negativa para um amplificador operacional usando uma bomba de carga, no entanto, aquele projeto só exigia uma corrente de fornecimento mínima e qualidade da trilha de tensão. Gostaria que esta fonte dupla fornecesse energia de muito alta qualidade a 80mA ou mais. Embora isso não seja muita corrente, é mais do que muitas bombas de carga oferecem, e eu preciso de um ruído substancialmente menor.

A topologia para o trilho negativo nesta fonte será uma fonte de alimentação comutada para gerar uma fonte de -5,5V, que será limpa por um filtro LC que alimenta um regulador linear. 

Regulador Comutado

Muitos engenheiros hoje em dia veem as tensões negativas como algo quase mítico, já que a maioria dos dispositivos modernos só requer uma única fonte positiva para operar. Realmente, não há nada de complicado em criar uma tensão negativa, no entanto, se você pode projetar um regulador de tensão step-down, você pode projetar um regulador negativo - a teoria é exatamente a mesma.

Para criar a fonte de -5,5V, estou usando o Conversor DC-DC de Saída Inversora, Síncrono e de Alta Eficiência de 4,5V a 60V, 1A da Maxim/Analog, o MAX17578. Reguladores chaveados não são ótimos sob cargas baixas, ainda assim, com uma carga de 80mA neste regulador, ele ainda deve operar com cerca de 66% de eficiência. Isso pode não parecer muito eficiente, no entanto, é muito mais alto do que qualquer outro regulador disponível em estoque no momento do projeto.

Regulador Linear

O resultado final do trilho negativo é fornecido por um regulador linear de ultra baixo ruído, o ADP7182 da Analog Devices. Para remover o ruído de chaveamento do regulador de -5,5V, adicionei um filtro LC à entrada. O regulador deve ser capaz de lidar com o ruído de chaveamento, no entanto, é sempre uma boa ideia ajudar o máximo possível quando o objetivo é baixo ruído.

O filtro LC pode ser perfeitamente capaz de fornecer energia limpa o suficiente para algumas aplicações, permitindo que o caro regulador linear seja removido, então um resistor de 0 ohm permite que a entrada e a saída do regulador linear sejam curto-circuitadas. Uma variante de design garante que esse resistor não será incluído no BOM ou nas informações de montagem quando não for necessário.

Embora meu uso inicial para este regulador necessite de +/-4.8V, eu quero que este projeto seja versátil e aplicável a outros usos. Portanto, adicionei um potenciômetro de ajuste ao pino de ajuste do regulador, permitindo que a tensão seja ajustada de -4.2V a -5.2V. Um potenciômetro de múltiplas voltas seria ideal aqui, mas as restrições mecânicas de como imagino este circuito sendo usado me limitam a um potenciômetro de uma única volta.

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Trilho Positivo

O trilho de energia positivo é muito mais simples que o negativo, com apenas um regulador linear conectado à bateria. Com baixo consumo de corrente, não há necessidade de um regulador chaveado. Alimentar o regulador diretamente da bateria garante o menor ruído em sua entrada.

O esquemático para o regulador positivo é muito semelhante ao do regulador negativo, pois o regulador linear Analog Devices ADP7102 está na mesma família que o regulador negativo. Novamente, a tensão pode ser ajustada de +4.2V a +5.2V usando o mesmo modelo de potenciômetro de ajuste que o regulador negativo.

O regulador positivo também possui um divisor de tensão para o pino de habilitação, onde o regulador linear no trilho negativo não precisa dessa característica, pois o regulador de comutação fornece essa função.

Aviso de Bateria Baixa

Eu gosto de superdimensionar as coisas, então, para este projeto, tenho um aviso de bateria baixa exagerado. Em vez de apenas acender um LED quando a bateria está fraca, vou fazer com que um LED de bateria baixa pisque.

Estou usando um amplificador operacional (IC5) para detectar o nível baixo da bateria, cuja saída alimenta um circuito oscilador de relaxação utilizando outro amplificador operacional (IC6). Outro nome para um oscilador de relaxação é um multivibrador astável. O oscilador de relaxação aciona um MOSFET que faz o LED piscar. O amplificador operacional do oscilador tem uma corrente de consumo suficientemente baixa para ser alimentado diretamente pela saída do amplificador de detecção de baixa tensão.

Um oscilador de relaxação gera uma saída de onda quadrada, com este sendo projetado para uma frequência de cerca de 1Hz e um ciclo de trabalho de 50%. Um oscilador de relaxação carrega um capacitor, C21 neste caso, que está conectado à entrada inversora do amplificador operacional. A entrada não inversora do amplificador operacional está conectada a um divisor de tensão. 

Enquanto o capacitor está descarregado, sua tensão será inferior à entrada não-inversora, permitindo que o capacitor carregue a partir da saída do amplificador operacional através de R29. Uma vez que o capacitor esteja carregado, a entrada inversora terá uma tensão mais alta do que a entrada não-inversora, e a saída do amplificador operacional se inverte, permitindo que o capacitor comece a descarregar.

Layout da PCB

A PCB para este projeto é relativamente simples, o tamanho da placa é determinado pelo suporte da bateria, conector de energia e a necessidade de uma posição de montagem para um espaçador entre as placas. A placa será uma placa de quatro camadas com 1mm de espessura. Ambos os planos internos são preenchimentos de terra, com as camadas externas para roteamento de sinal. Isso garante que as rotas tenham um excelente caminho de retorno em uma camada adjacente. 

A placa tem muitos vias de costura para conectar completamente as redes de terra, visando reduzir o ruído conduzido e irradiado. O layout do regulador de comutação é apenas um layout típico de modo comutado, com os layouts dos reguladores lineares não sendo excessivamente críticos.

Eu tentei manter o regulador de comutação o mais longe possível do conector de energia, enquanto mantenho os reguladores lineares o mais próximo possível de seus pinos de saída. 

O derramamento de terra oferece um excelente caminho térmico para o regulador positivo, que será o que mais dissipará calor.

Eu tenho pontos de teste na placa organizados de forma que os sinais mais críticos (os trilhos de tensão) possam ser sondados por um osciloscópio com uma conexão de terra por mola para minimizar o comprimento do laço de terra. Testar qualquer hardware que contenha um componente de comutação usando o cabo de terra na sonda do osciloscópio é uma ótima maneira de captar ruídos de campo próximo além ou em vez do sinal que você está realmente procurando.

Teste de Desempenho

Não faz sentido construir um regulador se você não vai testá-lo, então vamos colocar o regulador na fonte de alimentação do laboratório e conectá-lo à minha Carga DC para ver como ele se comporta. Todos os testes abaixo foram realizados na fonte de alimentação do laboratório, no entanto, eu também verifiquei as cargas com o regulador funcionando em uma bateria, os resultados foram indistinguíveis.

Enquanto os testes de corrente estão sendo realizados através de um jumper de fio bastante fino para a placa, verificando as tensões a bordo com tanto o meu multímetro de bancada quanto o multímetro portátil, as leituras na Carga DC estão a um par de milivolts do que está na placa.

Trilho Negativo

Iniciando os testes no lado da alimentação negativa, a tensão sem carga é de 4.8149V. Eu provavelmente poderia ajustar isso um pouco melhor, mas estava impaciente para ver como se comportaria sob carga.

Minha carga DC só suporta tensões positivas, então eu simplesmente usei o trilho negativo como referência de terra e o terra do regulador como entrada positiva. No que diz respeito à carga DC, isso é considerado uma tensão positiva.

Você pode ignorar a resistência de carga na foto abaixo, isso é uma fração de segundo antes da carga ser aplicada e a Carga DC estava medindo a carga à medida que aumentava a corrente.

Sob carga, podemos ver uma queda de 24mV na saída. A ficha técnica afirma precisão sobre linha, carga e temperatura de +2% máximo/−3% mínimo. Com meio por cento de desvio na tensão, definitivamente está dentro dessa afirmação a 80mA.

Dado que o regulador está se saindo bem com sua carga de projeto, eu queria forçá-lo a 200% para ver como ele se comportaria. O regulador é classificado para uma carga de -200mA, então ele deveria estar absolutamente bem. A tensão caiu 44,2mV sob a carga aumentada, mas isso ainda é apenas uma queda de 1%, e bem dentro das afirmações da ficha técnica.

Olhando o regulador chaveado no meu osciloscópio sem uma carga aplicada, as coisas parecem estáveis e ele está lidando muito bem com a carga baixa. A única carga neste regulador é qualquer coisa parasita mais os 4mA de corrente dirigindo o LED. Alguns reguladores chaveados simplesmente não lidam bem com essa pequena carga, então é bom ver que tudo está estável. 

Ligando a carga DC, ajustada para um consumo de corrente de 80mA, a saída do regulador chaveado parece muito mais com o que você esperaria de um regulador de modo comutado. Adicionando a medição de tensão RMS ao display, podemos ver que, enquanto o ruído de pico a pico é de cerca de 26mV, o ruído RMS é de apenas cerca de 2,2mV.

Ao analisarmos o sinal após o filtro LC, podemos ver que todo o ruído de comutação foi completamente removido, no entanto, o sinal está um pouco bagunçado. Para a minha aplicação inicial desta placa, o regulador linear definitivamente permanecerá na placa, pois o regulador linear limpa essa bagunça de maneira eficaz.

Rail Positivo

No trilho positivo, podemos realizar os mesmos testes para ver como os reguladores lineares são comparáveis. Escolhi os reguladores para terem uma boa correspondência de desempenho, mas sempre é uma questão de como as coisas se saem no mundo real em vez de apenas no papel.

Com nenhuma carga, ajustei a tensão um pouco mais alta do que o regulador negativo, em 4,8492V.

Sob a carga projetada de 80mA, podemos ver que a tensão caiu um pouco menos do que o regulador negativo, com uma perda de apenas 18,6mV. Isso é um pouco menos de 0,4 por cento da tensão original. Embora isso seja mais preciso do que o regulador negativo, faz sentido, pois a folha de dados do regulador positivo também afirma maior precisão com Precisão sobre linha, carga e temperatura de −2%, +1%. 

Aumentando a carga para 200%, a tensão cai 30mV, ou 0,6% da tensão original ajustada. Novamente, isso ainda é melhor do que o regulador negativo, mas me surpreende um pouco, já que o regulador positivo tem uma classificação de corrente de 300mA, em vez dos 200mA do regulador de tensão negativa. A queda de tensão ainda está bem dentro das especificações da folha de dados, no entanto.

Tensão Combinada

Testar cada trilho de tensão é interessante para ver o desempenho de cada regulador, porém é um tanto quanto sem sentido além de verificar que os reguladores estão funcionando conforme o esperado. No mundo real, meus amplificadores operacionais serão alimentados com a tensão de fornecimento duplo, carregando os reguladores igualmente.

Eu conectei o regulador positivo à entrada positiva da minha carga DC, e a fonte negativa conectada à entrada de terra para minha carga DC. Isso mostra uma tensão de 9,6574V para a carga DC sem nenhum ônus sobre a fonte.

Adicionando a carga de projeto de 80mA ao regulador, vemos uma queda de 22,1mV, ou apenas 0,2% da tensão original. Estou muito satisfeito com este resultado, sabendo que meus amplificadores operacionais estarão recebendo uma tensão muito estável mesmo que sua carga possa mudar durante o uso. Isso deve garantir que eu tenha saídas muito consistentes.

Aumentando a corrente para 200%, agora temos uma queda de tensão total de 32mV, ou pouco mais de 3 por cento da tensão sem carga.

Usando meu osciloscópio para observar a saída da placa reguladora, enquanto sob carga, é um tanto quanto desinteressante. Embora pareça que há muito ruído e ação acontecendo, com o osciloscópio medindo 242 microvolts de ruído RMS, isso não é a placa reguladora que estamos vendo. A captura de tela abaixo tem 2 segundos de persistência ativada, e é classificada por cores para mostrar os sinais que ocorrem com mais frequência.

Então, o que quero dizer com isso não é a placa reguladora que estamos vendo? Infelizmente, o piso de ruído do meu osciloscópio é simplesmente muito alto. Meu osciloscópio Rigol MSO5354 mede 450 microvolts de ruído RMS ao medir um resistor axial de 47 ohms com a sonda (uma perna enrolada ao redor da faixa de terra, a outra perna ao redor da ponta da sonda). Então, não há como eu medir diretamente os 15-18microvolts de ruído que as folhas de dados me dizem para esperar desses reguladores lineares. Embora decepcionante, acho divertido que o ruído medido da minha placa reguladora seja menor do que o ruído medido de um resistor.

Também realizei este teste com o regulador funcionando com uma bateria e carregado com um resistor de 100 ohms para ver se o desempenho do ruído era diferente, descartando meus equipamentos de teste como fonte de ruído. Além do resistor ficar muito quente e cheirar bastante mal, não houve diferença discernível no osciloscópio entre os dois métodos de tensão de entrada/carga.

Pensamentos Finais

Embora eu deseje que meu conjunto de testes me permitisse olhar mais de perto o nível de ruído nas saídas, ainda estou satisfeito com o resultado deste projeto de regulador. É sempre bom desafiar os limites dos equipamentos de teste com projetos. 

Além dos testes acima, a placa também passou mais de um dia operando a 200% da carga sem mostrar sinais de falha ou estresse. O regulador linear positivo foi o componente mais quente na placa, atingindo cerca de 65 graus Celsius (149°F) enquanto a temperatura do meu laboratório alcançou um pico de verão escocês sufocante de 22,5°C (72°F).

No meu próximo projeto, estarei colocando esta placa em ação para alimentar três amplificadores operacionais de alta performance enquanto construo uma sonda osciloscópica diferencial que desafiará ainda mais os limites dos meus equipamentos de teste.

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