Nguồn cấp điện áp kép

Các bộ khuếch đại hoạt động hiệu suất cao thường cần một nguồn cung cấp chia làm hai phần với điện áp dương và âm được kết nối với các đường ray cung cấp của op amp. Trong dự án này, chúng tôi sẽ xây dựng một nguồn cung cấp đôi dương/âm cho một đầu dò dao động kỹ thuật số mà tôi đang thiết kế. Tôi tách riêng việc cung cấp nguồn điện ra thành một dự án riêng, vì một nguồn cung cấp đôi khá hữu ích để có, và tôi chắc chắn sẽ tìm thấy nhiều ứng dụng cho nó trong tương lai.

Trong quá khứ, tôi đã nói trên blog này về các cấu hình nguồn cung cấp đôi, tuy nhiên trong dự án này chúng tôi sẽ áp dụng lời khuyên đó và xây dựng một bộ điều chỉnh âm.

Vì đầu dò dao động kỹ thuật số của tôi sẽ được kết nối với nhiều loại tín hiệu khác nhau, tôi muốn đảm bảo nguồn điện cho các op amp không chỉ ổn định và ít nhiễu, mà còn hoàn toàn cách ly với cả máy hiện sóng và thiết bị đang kiểm tra. Do đó, bo mạch này sẽ được cung cấp năng lượng bởi một pin 9V. Pin AA sẽ là một lựa chọn tốt, tuy nhiên sẽ cần một bộ điều chỉnh chuyển mạch cho cả nguồn cung cấp dương và âm, và chỉ với hai pin AA thời gian chạy sẽ bị hạn chế. Nhiều hơn hai pin AA sẽ quá cồng kềnh, và những vấn đề này càng tồi tệ hơn với pin AAA. 

Pin 9V có sẵn rộng rãi tại nhiều cửa hàng với giá cả phải chăng, có các lựa chọn có thể sạc lại, và quan trọng đối với tôi: chúng không có hạn chế về vận chuyển. Pin lithium ion sẽ làm tăng đáng kể độ phức tạp của thiết kế so với việc sử dụng pin 9V, với các mạch sạc và giám sát pin - hơn nữa, việc chúng được giao hàng đến nơi tôi sống là cực kỳ khó khăn. Nếu bạn muốn đọc một phân tích sâu hơn về các công nghệ pin khác nhau và cách chúng liên quan đến các ứng dụng điện tử, hãy xem bài viết của tôi trên Octopart về việc chọn pin.

Như tất cả các dự án của tôi, bạn có thể tìm thấy các tệp Altium Designer mã nguồn mở cho dự án này trên GitHub của tôi được cấp phép theo giấy phép MIT linh hoạt.

Lợi ích của Việc Sử Dụng Nguồn Cấp Đôi

Khi sử dụng op amp nguồn cấp đơn, điện áp đầu ra chỉ có thể dao động từ gần nguồn điện áp đầu vào đến gần mặt đất. Mức độ gần như thế nào phụ thuộc vào op amp cụ thể với các amp rail-to-rail tạo ra tín hiệu đầu ra gần như hoàn toàn đến các thanh nguồn cấp.

Nếu bạn đang làm việc với các dạng sóng có thành phần âm, như AC, hoặc bạn cần mức điện áp đầu ra chính xác là 0v, thì một op amp cung cấp kép sẽ mang lại cho bạn sự linh hoạt bạn cần. Một số op amp hiệu suất cao nhất trên thị trường cũng được thiết kế với yêu cầu điện áp cung cấp kép, do đó, nếu bạn cần đẩy giới hạn, điện áp cung cấp kép có thể là bắt buộc.

Một số op amp có thể yêu cầu điện áp đầu vào tối đa/tối thiểu cách vài volt so với đường ray cung cấp. Nếu bạn sử dụng một nguồn cung cấp đơn 5 volt trên một op-amp với độ lệch tối thiểu 2 volt, bạn chỉ có 1 volt khoảng đầu vào có thể sử dụng. Các bộ khuếch đại từ đường ray này sang đường ray khác có thể giải quyết vấn đề này, cũng như một nguồn cung cấp kép. 

Đối với đầu dò chênh lệch của tôi, tôi đang mong đợi chủ yếu xem xét các dạng sóng AC, sử dụng một số op amp hiệu suất rất cao, điều này đòi hỏi việc sử dụng một nguồn cung cấp phân chia để cấp điện cho chúng. 

Đường Ray Âm

Trong một dự án trước, tôi đã tạo ra một nguồn cung cấp âm cho bộ khuếch đại hoạt động sử dụng bơm điện tích, tuy nhiên dự án đó chỉ yêu cầu một dòng cung cấp tối thiểu và chất lượng đường ray điện áp. Tôi muốn nguồn cung cấp kép này cung cấp điện năng chất lượng cao với 80mA hoặc hơn. Mặc dù đó không phải là dòng điện lớn, nhưng nó nhiều hơn nhiều so với những gì nhiều bơm điện tích cung cấp, và tôi cần giảm tiếng ồn đáng kể.

Topo cho đường ray âm trên nguồn cung cấp này sẽ là một nguồn cung cấp điện chuyển mạch để tạo ra một nguồn cung cấp -5.5V, sau đó sẽ được làm sạch bởi một bộ lọc LC cung cấp vào một bộ điều chỉnh tuyến tính. 

Bộ Điều Chỉnh Chuyển Mạch

Nhiều kỹ sư ngày nay coi điện áp âm như một cái gì đó gần như huyền thoại vì hầu hết các thiết bị hiện đại chỉ yêu cầu một nguồn cung cấp dương duy nhất để hoạt động. Thực sự không có gì khó khăn trong việc tạo ra một điện áp âm, tuy nhiên, nếu bạn có thể thiết kế một bộ điều chỉnh điện áp giảm, bạn có thể thiết kế một bộ điều chỉnh âm - lý thuyết hoàn toàn giống nhau.

Để tạo nguồn cung cấp -5.5V, tôi sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC đầu ra đồng bộ, hiệu suất cao, có đầu ra đảo ngược từ 4.5V đến 60V, 1A của Maxim/Analog MAX17578. Các bộ điều chỉnh chuyển mạch không hoạt động tốt dưới tải thấp, tuy nhiên ngay cả khi có tải 80mA trên bộ điều chỉnh này, nó vẫn nên hoạt động với hiệu suất khoảng 66%. Điều này có thể không nghe có vẻ hiệu quả lắm, tuy nhiên nó cao hơn nhiều so với bất kỳ bộ điều chỉnh nào khác có sẵn tại thời điểm thiết kế.

Bộ Điều Chỉnh Tuyến Tính

Đầu ra cuối cùng của đường ray âm được cung cấp bởi một bộ điều chỉnh tuyến tính siêu ít nhiễu, Analog Devices ADP7182. Để loại bỏ nhiễu chuyển mạch từ bộ điều chỉnh -5.5V, tôi đã thêm một bộ lọc LC vào đầu vào. Bộ điều chỉnh nên có khả năng xử lý nhiễu chuyển mạch, tuy nhiên luôn là một ý tưởng tốt khi giúp mọi thứ hoạt động mượt mà nhất có thể khi mục tiêu là giảm tiếng ồn.

Bộ lọc LC có thể hoàn toàn có khả năng cung cấp đủ điện năng sạch cho một số ứng dụng, cho phép loại bỏ bộ điều chỉnh tuyến tính đắt tiền, vì vậy một điện trở 0 ohm cho phép đầu vào và đầu ra của bộ điều chỉnh tuyến tính được nối tắt. Một biến thể thiết kế đảm bảo rằng điện trở này sẽ không xuất hiện trong BOM hoặc thông tin lắp ráp khi không cần thiết.

Trong lần sử dụng đầu tiên này, tôi cần bộ điều chỉnh cung cấp +/-4.8V, nhưng tôi muốn thiết kế này linh hoạt và có thể áp dụng cho các mục đích khác. Do đó, tôi đã thêm một potentiometer chỉnh (trimmer pot) vào chân điều chỉnh của bộ điều chỉnh, cho phép điều chỉnh điện áp từ -4.2V đến -5.2V. Một potentiometer nhiều vòng sẽ là lý tưởng ở đây, nhưng các hạn chế về cơ khí của cách tôi tưởng tượng việc sử dụng bảng mạch này giới hạn tôi ở một potentiometer một vòng.

Bạn có dự án cần các biến thể và linh kiện tùy chọn để dễ dàng sản xuất trong khi cung cấp nhiều lựa chọn cấu hình không? Hãy nói chuyện với một Chuyên gia Altium hôm nay, hoặc đăng ký một phiên bản dùng thử Altium miễn phí.

Đường Ray Dương

Đường ray năng lượng dương đơn giản hơn nhiều so với đường ray âm, chỉ với một bộ điều chỉnh tuyến tính được kết nối với pin. Với dòng điện tiêu thụ thấp, không cần thiết phải sử dụng bộ điều chỉnh chuyển mạch. Chạy bộ điều chỉnh trực tiếp từ pin đảm bảo tiếng ồn thấp nhất trên đầu vào của nó.

Sơ đồ cho bộ điều chỉnh dương rất giống với bộ điều chỉnh âm vì bộ điều chỉnh tuyến tính Analog Devices ADP7102 thuộc cùng một gia đình với bộ điều chỉnh âm. Một lần nữa, điện áp có thể được điều chỉnh từ +4.2V đến +5.2V sử dụng cùng một mô hình potentiometer chỉnh như bộ điều chỉnh âm.

Bộ điều chỉnh dương cũng có một bộ chia điện áp cho chân enable, trong khi bộ điều chỉnh tuyến tính trên đường ray âm không cần tính năng này vì bộ điều chỉnh chuyển mạch cung cấp chức năng này.

Cảnh báo Pin Yếu

Tôi thích làm việc quá mức kỹ thuật, vì vậy đối với dự án này, tôi có một cảnh báo pin yếu quá mức. Thay vì chỉ có một đèn LED bật khi pin yếu, tôi sẽ có một đèn LED báo pin yếu nhấp nháy.

Tôi sử dụng một op amp (IC5) để phát hiện mức pin yếu, đầu ra của nó cung cấp năng lượng cho một mạch dao động thư giãn sử dụng một op amp khác (IC6). Một tên gọi khác cho dao động thư giãn là dao động không ổn định. Dao động thư giãn điều khiển một MOSFET làm nhấp nháy đèn LED. Op amp của dao động có dòng điện rút ra đủ thấp để chạy trực tiếp từ đầu ra của bộ khuếch đại phát hiện điện áp thấp.

Dao động thư giãn tạo ra một tín hiệu sóng vuông, với cái này được thiết kế cho tần số khoảng 1Hz và chu kỳ công việc 50%. Dao động thư giãn sạc một tụ điện, C21 trong trường hợp này, được kết nối với đầu vào đảo của op amp. Đầu vào không đảo của op amp được kết nối với một bộ chia điện áp. 

Khi tụ điện được xả, điện áp của nó sẽ thấp hơn so với đầu vào không đảo ngược, cho phép tụ điện được sạc từ đầu ra của op amp qua R29. Khi tụ điện được sạc đầy, đầu vào đảo ngược sẽ có điện áp cao hơn so với đầu vào không đảo ngược, và đầu ra của opamp đảo ngược cho phép tụ điện bắt đầu xả.

Bố Cục PCB

PCB cho dự án này tương đối đơn giản, kích thước của bảng mạch được xác định bởi giá đỡ pin, cổng kết nối nguồn và nhu cầu về vị trí lắp đặt cho một trụ đỡ để đi qua các bảng mạch. Bảng mạch sẽ có độ dày 1mm, bốn lớp. Cả hai lớp bên trong là các lớp đổ mặt đất, với các lớp ngoài cùng dành cho định tuyến tín hiệu. Điều này đảm bảo các đường định tuyến có một đường trở về xuất sắc trên lớp kề bên. 

Bảng mạch có rất nhiều vias khâu để kết nối chặt chẽ các mạng lưới mặt đất với nhau, nhằm giảm tiếng ồn dẫn và bức xạ. Bố cục của bộ điều chỉnh chuyển mạch chỉ là một bố cục chế độ chuyển mạch điển hình, với bố cục của các bộ điều chỉnh tuyến tính không quá quan trọng.

Tôi đã cố gắng giữ bộ điều chỉnh chuyển mạch càng xa cổng kết nối nguồn càng tốt, trong khi giữ các bộ điều chỉnh tuyến tính càng gần các chân đầu ra của chúng càng tốt. 

Lớp đổ mặt đất cung cấp một con đường nhiệt xuất sắc cho bộ điều chỉnh dương, bộ phận sẽ tỏa nhiệt nhiều nhất.

Tôi đã bố trí các điểm kiểm tra trên bảng mạch sao cho các tín hiệu quan trọng nhất (các đường ray điện áp) có thể được đo bằng oscilloscope với kết nối mặt đất lò xo để giảm thiểu chiều dài vòng lặp mặt đất. Kiểm tra bất kỳ phần cứng nào chứa thành phần chuyển mạch bằng cách sử dụng dây dẫn mặt đất trên đầu dò oscilloscope là một cách tuyệt vời để thu thập tiếng ồn gần trường ngoài việc hoặc thay thế cho tín hiệu bạn thực sự đang tìm kiếm.

Kiểm Tra Hiệu Suất

Không có ý nghĩa gì khi xây dựng một bộ điều chỉnh nếu bạn không thử nghiệm nó, vì vậy hãy kết nối bộ điều chỉnh với nguồn điện phòng thí nghiệm và kết nối nó với Tải DC của tôi để xem nó hoạt động như thế nào. Tất cả các bài kiểm tra dưới đây đều được thực hiện trên nguồn điện phòng thí nghiệm, tuy nhiên tôi cũng đã kiểm tra các tải với bộ điều chỉnh chạy trên pin, kết quả không có sự khác biệt đáng kể.

Trong khi các bài kiểm tra dòng điện đang được thực hiện thông qua một dây nhảy khá mảnh vào bảng mạch, việc kiểm tra điện áp trên bo mạch với cả đồng hồ đo đa năng trên bàn và đồng hồ đo đa năng cầm tay cho thấy các chỉ số trên Tải DC chỉ chênh lệch vài milivôn so với trên bảng mạch.

Đường Ray Âm

Bắt đầu kiểm tra ở phía nguồn cung cấp âm, điện áp không tải là 4.8149V. Có lẽ tôi có thể điều chỉnh nó một chút tốt hơn, nhưng tôi đã không kiên nhẫn muốn xem nó sẽ hoạt động như thế nào dưới tải.

Tải DC của tôi chỉ hỗ trợ điện áp dương, vì vậy tôi đơn giản sử dụng đường ray âm như một tham chiếu mặt đất và mặt đất của bộ điều chỉnh như đầu vào dương. Xét cho cùng, đối với tải DC, đây là một điện áp dương.

Bạn có thể bỏ qua điện trở tải trong ảnh dưới đây, đây là một phần nhỏ của giây trước khi tải được áp dụng và Tải DC đang đo tải khi nó tăng dòng điện.

Dưới tải, chúng ta có thể thấy sự giảm 24mV ở đầu ra. Bảng dữ liệu tuyên bố Độ chính xác qua dòng, tải và nhiệt độ là tối đa +2%/tối thiểu -3%. Với sự lệch điện áp nửa phần trăm, nó chắc chắn nằm trong tuyên bố này ở 80mA.

Xét rằng bộ điều chỉnh đang hoạt động tốt ở tải thiết kế của nó, tôi muốn đẩy nó lên 200% để xem nó sẽ phản ứng như thế nào. Bộ điều chỉnh được đánh giá cho tải -200mA, vì vậy nó nên hoàn toàn ổn. Điện áp giảm 44.2mV dưới tải tăng lên, nhưng đó vẫn chỉ là giảm 1%, và hoàn toàn nằm trong phạm vi tuyên bố của bảng dữ liệu.

Khi nhìn vào bộ điều chỉnh chuyển mạch trên máy hiện sóng của tôi mà không áp dụng tải, mọi thứ trông ổn định và nó xử lý tải thấp rất tốt. Tải duy nhất trên bộ điều chỉnh này là bất kỳ tải nhiễu nào cộng với dòng điện 4mA điều khiển LED. Một số bộ điều chỉnh chuyển mạch đơn giản không thể xử lý tải nhỏ như vậy, vì vậy thật tốt khi thấy mọi thứ đều ổn định. 

Khi bật tải DC, được thiết lập để rút dòng điện 80mA, đầu ra của bộ điều chỉnh chuyển mạch trông giống nhiều hơn như bạn mong đợi từ một bộ điều chỉnh chế độ chuyển mạch. Thêm phép đo điện áp RMS vào màn hình hiển thị, chúng ta có thể thấy rằng trong khi nhiễu đỉnh đến đỉnh là khoảng 26mV, nhiễu RMS chỉ khoảng 2.2mV.

Nhìn vào tín hiệu sau bộ lọc LC, chúng ta có thể thấy rằng tất cả tiếng ồn chuyển mạch đã được loại bỏ hoàn toàn, tuy nhiên tín hiệu lại có phần hỗn độn. Đối với ứng dụng ban đầu của tôi với bảng mạch này, bộ điều chỉnh tuyến tính chắc chắn sẽ được giữ lại trên bảng mạch, vì bộ điều chỉnh tuyến tính làm sạch mớ hỗn độn này một cách đẹp đẽ.

Đường Ray Dương

Trên đường ray dương, chúng ta có thể thực hiện cùng một bài kiểm tra để xem bộ điều chỉnh tuyến tính so sánh như thế nào. Tôi đã chọn các bộ điều chỉnh để có hiệu suất tương đương tốt, nhưng luôn là câu hỏi về việc mọi thứ hoạt động tốt như thế nào trong thế giới thực so với trên giấy.

Với không tải, tôi đã đặt điện áp cao hơn một chút so với bộ điều chỉnh âm, ở mức 4.8492V.

Dưới tải thiết kế 80mA, chúng ta có thể thấy điện áp đã giảm một chút ít hơn so với bộ điều chỉnh âm, với mức giảm chỉ 18.6mV. Điều này ít hơn 0.4 phần trăm so với điện áp ban đầu. Mặc dù điều này chính xác hơn bộ điều chỉnh âm, điều này có lý do vì bảng dữ liệu của bộ điều chỉnh dương cũng tuyên bố độ chính xác cao hơn với Độ chính xác qua dòng, tải và nhiệt độ là −2%, +1%. 

Tăng tải lên 200%, điện áp giảm 30mV, hay 0,6% so với điện áp đặt ban đầu. Một lần nữa, điều này vẫn tốt hơn so với bộ điều chỉnh âm, nhưng nó cũng khiến tôi hơi ngạc nhiên vì bộ điều chỉnh dương có dòng định mức là 300mA, thay vì 200mA của bộ điều chỉnh điện áp âm. Tuy nhiên, sự giảm điện áp vẫn nằm trong phạm vi thông số kỹ thuật của bảng dữ liệu.

Điện Áp Kết Hợp

Thử nghiệm từng đường điện áp là thú vị để xem hiệu suất của từng bộ điều chỉnh, tuy nhiên, điều này có phần vô nghĩa ngoài việc xác minh rằng các bộ điều chỉnh đang hoạt động như mong đợi. Trong thế giới thực, các op amp của tôi sẽ được cấp điện áp cung cấp kép, tải các bộ điều chỉnh một cách đồng đều.

Tôi đã kết nối bộ điều chỉnh dương vào đầu vào dương của tải DC của tôi, và nguồn cung cấp âm được kết nối với đầu vào mặt đất cho tải DC của tôi. Điều này cho thấy một điện áp 9.6574V đến tải DC mà không gây tải nào lên nguồn cung cấp.

Thêm tải thiết kế 80mA vào bộ điều chỉnh, chúng ta thấy một sự giảm 22.1mV, hay chỉ 0,2% của điện áp ban đầu. Tôi rất hài lòng với kết quả này, biết rằng các op amp của tôi sẽ được cung cấp một điện áp rất ổn định ngay cả khi tải của chúng có thể thay đổi trong quá trình sử dụng. Điều này nên đảm bảo rằng tôi có các đầu ra rất nhất quán.

Tăng dòng điện lên 200%, chúng ta giờ đây có tổng cả sự sụt áp là 32mV, hay chỉ hơn 3 phần trăm so với điện áp không tải.

Sử dụng oscilloscope của tôi để quan sát đầu ra của bảng điều chỉnh, khi đang chịu tải, nó có vẻ không mấy sáng tỏ. Mặc dù có vẻ như có rất nhiều nhiễu và hoạt động đang diễn ra, với oscilloscope đo được 242 microvolts nhiễu RMS, nhưng đây không phải là bảng điều chỉnh mà chúng ta đang thấy. Ảnh chụp màn hình dưới đây có 2 giây duy trì được bật, và được phân loại màu để hiển thị các tín hiệu xuất hiện thường xuyên nhất.

Vậy tôi muốn nói gì khi nói đây không phải là bảng điều chỉnh mà chúng ta đang thấy? Thật không may, mức nhiễu sàn của oscilloscope của tôi quá cao. Oscilloscope Rigol MSO5354 của tôi đo được 450 microvolts nhiễu RMS khi đo một điện trở 47 ohm dạng lỗ qua với đầu dò (một chân quấn quanh dải đất, chân kia quấn quanh đầu dò). Vì vậy, không có cách nào tôi có thể đo trực tiếp 15-18microvolts nhiễu mà tờ dữ liệu nói với tôi mong đợi từ những bộ điều chỉnh tuyến tính này. Mặc dù thất vọng, tôi thấy thú vị khi nhiễu đo được từ bảng điều chỉnh của tôi thấp hơn nhiễu đo được từ một điện trở.

Tôi cũng đã thử nghiệm này với bộ điều chỉnh chạy trên pin và được tải với một điện trở 100 ohm để xem hiệu suất nhiễu có khác biệt gì không, loại trừ thiết bị kiểm tra của tôi là nguồn nhiễu. Ngoại trừ việc điện trở nóng lên rất nhiều và có mùi khá khó chịu, không có sự khác biệt nào có thể nhận biết được trên máy hiện sóng giữa hai phương pháp điện áp đầu vào/tải.

Suy nghĩ cuối cùng

Dù tôi ước rằng bộ thiết lập thử nghiệm của mình có thể cho phép tôi quan sát kỹ lưỡng hơn về mức độ nhiễu trên các đầu ra, tôi vẫn hài lòng với kết quả của thiết kế bộ điều chỉnh này. Luôn tốt khi đẩy giới hạn của thiết bị kiểm tra với các dự án. 

Ngoài các bài kiểm tra trên, bảng mạch cũng đã trải qua hơn một ngày làm việc ở mức tải 200% mà không có dấu hiệu nào của sự hỏng hóc hay căng thẳng. Bộ điều chỉnh tuyến tính dương là thành phần nóng nhất trên bảng mạch, đo được khoảng 65 độ Celsius (149°F) trong khi nhiệt độ phòng thí nghiệm của tôi đạt đỉnh mùa hè nóng bức của Scotland là 22.5°C (72°F).

Trong dự án tiếp theo, tôi sẽ đưa bảng mạch này vào hoạt động để cung cấp năng lượng cho ba bộ khuếch đại hoạt động hiệu suất cao khi tôi xây dựng một đầu dò dao động kỹ thuật số chênh lệch sẽ thách thức giới hạn của thiết bị kiểm tra của tôi hơn nữa.

Bạn có đang sử dụng các công cụ thiết kế sơ đồ và bố trí PCB hàng đầu ngành để phát triển giải pháp phần cứng của mình với ít công sức nhất không? Nói chuyện với chuyên gia tại Altium để tìm hiểu làm thế nào Altium Designer có thể tăng tốc dự án tiếp theo của bạn. Ngoài ra, đăng ký một phiên bản dùng thử miễn phí để xem tất cả sự náo nhiệt là về cái gì!