Меню

Источник опорного напряжения с обратной связью



Цифровое управление источником опорного напряжения

Texas Instruments LM4041 TLV431 TPL0102

Christopher Dean, Texas Instruments

При добавлении цифрового потенциометра и логометрической схемы делителя в цепь обратной связи микросхемы источника опорного напряжения вы сможете устанавливать выходное напряжение опорного источника с помощью цифрового кода

Регулируемые источники опорного напряжения очень удобны для разработчиков схем, поскольку их выходные напряжения не ограничиваются значениями, установленными изготовителями. Типовая конфигурация такого регулируемого источника создается с помощью делителя напряжения, включаемого между выходом схемы и входом обратной связи (Рисунок 1). Для регулировки выходного напряжения схема сравнивает напряжение на выводе обратной связи с напряжением внутреннего опорного источника (которое в этой статье мы будем обозначать VREF_INT), типичное значение которого составляет 1.2 В. Устройство подстраивает выходное напряжение до тех пора, VFB и VREF_INT не совпадут.

Рисунок 1. В типичном регулируемом источнике опорного напряжения для
установки выходного значения используется делитель напряжения,
включенный между выходом и входом обратной связи.

Одни регулируемые шунтовые опорные источники, такие, как LM4041-N, поддерживают напряжение VFB равным падению напряжения на резисторе R1, другие, например, TLV431 – на R2. Эта усовершенствованная схема демонстрирует один из возможных вариантов замены резистивного делителя для управления опорным напряжением с помощью цифровых сигналов. В предлагаемой схеме для этого используется микросхема LM4041-N, однако с равным успехом концепцию можно расширить на другие шунтовые опорные источники.

Рисунок 2. При замене двух постоянных резисторов цифровым потенциометром
появляется возможность цифровой установки выходного напряжения.

Метод основан на замене двух постоянных резисторов одним цифровым потенциометром. Идея схемы иллюстрируется Рисунком 2, где вывод обратной связи VREF соединен с движком потенциометра, верхний и нижний выводы которого подключены к шинам VREF_OUT и GND, соответственно. На Рисунке 3 показана та же схема, в которой в качестве делителя напряжения используется цифрой потенциометр TPL0102.

Рисунок 3. В этой схеме отношение сопротивлений резисторов определяется
положением движка цифрового потенциометра, позиция которого,
в свою очередь, устанавливается цифровым кодом.

Для того чтобы цифрой потенциометр выполнял функцию делителя, надо подключить верхний и нижний выводы внутреннего резистора к источнику напряжения, а выход схемы к движку. Позиция движка, задаваемая посылкой в устройство цифрового кода, определяет соотношение сопротивлений между движком и верхним и нижним выводами. В микросхеме TPL0102 для этого используется интерфейс I 2 C, в то время как доступны и другие потенциометры с последовательным периферийным интерфейсом (SPI) или с параллельными интерфейсами.

Поскольку выходное напряжение устанавливается соотношением сопротивлений, их абсолютные значения некритичны. Это позволяет легко заменить резистивный делитель цифровым потенциометром. При этом зависимость регулируемого выходного напряжения от соотношения резисторов будет описываться следующим выражением:

Это очень важное соображение, поскольку абсолютные значения сопротивлений цифровых потенциометров могут иметь значительный разброс, но отношение сопротивлений выдерживается с высокой точностью. Например, для того чтобы получить выходное опорное напряжение 3.3 В, отношение сопротивлений R2 к R1 должно равняться 1.66.

В технической документации на потенциометр приведены формулы для расчета выходного напряжения делителя при заданном цифровом коде формулы (2) и (3).

В этих формулах:

VHW – напряжение между верхним выводом (H) и движком (W),
VWL – напряжение между движком (W) и нижним выводом (L).

(2)
(3)

Поскольку VFB падает на резисторе R1, мы используем формулу (2), определяющую напряжение между верхним выводом и движком. Движок подключен к выводу обратной связи опорного источника, и напряжение VFB отслеживает VREF_INT. Решение уравнения (4) относительно значения цифрового кода, требуемого для установки напряжения VREF_OUT, дает:

Читайте также:  Как подобрать переменный резистор для регулятора напряжения

Здесь NTAPS – число отводов. Подставляя в (4) числовые значения NTAPS = 256, VREF_INT = 1.24 В и VREF_OUT = 3.3 В, получаем выражение (5), из которого находим, что в цифровой потенциометр должно быть записано десятичное число 160, при котором сопротивления резисторов R1 и R2 будут равны 37.50 кОм и 62.50 кОм, соответственно. Что еще более важно, отношение этих сопротивлений, равное 1.66, также вычисляется с использованием выражения (1)

Если нужно изменить опорное напряжение, просто передайте новый код по шине I 2 C, чтобы передвинуть движок потенциометра в соответствующую позицию. В результате изменится напряжение на входе обратной связи, и на выходе установится новое значение VREF_OUT. Потенциометр можно использовать также для цифровой «подстройки» опорного напряжения. При большем количестве отводов потенциометра увеличивается разрешающая способность установки отношения сопротивлений и, соответственно, разрешение выходного опорного напряжения.

Применение цифровых потенциометров в этих схемах ограничивается их напряжением питания, которое в типичном случае не может превышать 5.5 В. Поэтому очень важно, чтобы отношение сопротивлений не принимало значений, при которых напряжение VREF_OUT было бы больше 5.5 В. Для цифрового потенциометра с 256 отводами и параллельного источника с внутренним опорным напряжением 1.24 В значение десятичного кода не должно превышать 200. На Рисунке 4 изображена зависимость выходного опорного напряжения от цифрового кода потенциометра с 256 отводами при напряжении опорного устройства 1.24 В.

Рисунок 4. Зависимость опорного напряжения от цифрового кода
имеет нелинейный характер, но при необходимости
легко рассчитывается, или определяется заранее
и сохраняется в памяти.

Пред подачей питания на шунтовой опорный источник вы должны включить и сконфигурировать цифровой потенциометр, чтобы гарантировать, что движок, то есть коэффициент деления, установлен правильно. Если же это невозможно, добавьте большое сопротивление, включив его параллельно тому резистору, на котором не падает напряжение VFB. Для LM4041 это может быть резистор 1 МОм, включенный между выводом обратной связи и землей (параллельно R2), или резистор 1 МОм между выводом обратной связи и выходом (параллельно R1) для TLV431.

Рисунок 5. Реостатное включение потенциометра позволяет исключить дополнительный
параллельный резистор. Однако теперь схема в большей степени зависит от
абсолютного значения сопротивления, чем от точно известного отношения
сопротивлений.

Для того чтобы не ставить параллельный резистор, подберите подходящие сопротивления постоянных резисторов R1 и R2, а цифровой потенциометр установите последовательно с ними. Тогда потенциометр вы должны включить реостатом (Рисунок 5). Эта конфигурация зависит от абсолютного значения сопротивления цифрового потенциометра, которое будет не столь точным, как в схеме логометрического делителя напряжения, поэтому для окончательного выбора цифрового кода здесь потребуется обратная связь к микроконтроллеру. Дополнительную информацию по источникам опорного напряжения, их топологиям и принципам работы можно найти по ссылкам [1]…[3].

Источник

Источники опорного напряжения от компании Analog Devices

Компания Analog Devices производит около 600 модификаций источников опорного напряжения (ИОН), и рассмотреть их все, конечно же, невозможно. Поэтому в первую очередь рассмотрим недорогие ИОН ADR 01, ADR02, ADR03, и ADR06 с номинальными выходными напряжениями 10,0 В, 5,0 В, 2,5 В и 3,0 В соответственно, а завершим наш краткий обзор сведениями об AD780. Как и все другие ИОН, источники ADR 01, ADR02, ADR03 и ADR06 формируют опорные напряжения с помощью запрещенной энергетической зоны внутренних базовых p-n-переходов (band gap) транзисторов с разной площадью эмиттеров. ИОН серии ADR изготавливаются в компактных 8-выводных корпусах SOIC , а также в 5-выводных корпусах SC70 и TSOT. Малые габариты ИОН и широкий диапазон рабочих температур (–40…+125 °С) позволят им найти применение во многих приложениях, в том числе там, где на первый план выходит компактность печатной платы.

Читайте также:  Напряжение бортсети ваз калина

Начальная погрешность и температурный коэффициент зависят от исполнения ИОН, которое бывает трех типов: A, B и С. В зависимости от типа и исполнения микросхемы начальная погрешность варьируется в пределах 0,05–0,2%, а типовое значение температурного коэффициента находится в диапазоне 1–10 ppm/°С. Однако кроме типового значения существуют и максимальные значения, величина которых зависит уже от типа корпуса микросхемы. Например, в исполнении А типовое значение температурного коэффициента составляет 3 ppm/°С, но максимально возможная величина может достигать 10 ppm/°С для ИОН в корпусе SOIC и 25 ppm/°С для ИОН в корпусах SC70 и TSOT.

Это обстоятельство надо обязательно учитывать особенно в тех случаях, когда ИОН используется во всем рабочем диапазоне температур –40…+125 °С. Иначе вас может ожидать весьма неприятный сюрприз, и вместо температурной погрешности 3 ppm/°С × 165 °С = 495 ppm вы получите погрешность 25 ppm/°С × 165 °С = 4125 ppm. Напомним формулу для вычисления температурного коэффициента TCV:

где V(T2), V(T1) и V(+25 °С) — выходное напряжение при температуре Т2, Т1 и +25 °С соответственно.

В таблице указаны некоторые типовые параметры рассматриваемых ИОН. Заметьте, что нестабильность выходного напряжения зависит от температуры. Графики зависимостей можно найти в документации производителя.

Наименование микросхемы Диапазон входных напряжений, В Нестабильность выходного напряжения, ppm/В Нестабильность выходного напряжения по нагрузке ppm/мА Спектральная плотность шума, нВ√Гц Размах шума (от пика до пика), мкВ Ослабление пульсаций на частоте 10 кГц, дБ
ADR 01 12–36 7 40 510 20 –75
ADR02 7–36 7 40 230 10 –75
ADR03 4,5–36 7 25 230 6 –75
ADR06 5–36 7 40 510 10 –75

Особенно нужно отметить довольно высокий уровень ослабления пульсаций напряжения и широкий диапазон входных напряжений, причем максимальная величина напряжений может достигать 36 В. Последнее обстоятельство упрощает схему и снижает стоимость решений. Например, если требуется получить опорное напряжение 2,5 или 3,0 В, а на плате напряжение питания только 15 В, вам не придется создавать еще одну шину питания 5 В специально для ИОН, на его вход можно безбоязненно подавать напряжение 15 В.

В распределенной системе питания с нестабилизированной шиной 12 В, напряжение на которой может варьироваться в пределах 9–18 В, напряжение на входе ИОН не превысит максимально допустимую величину.

Конечно, при большом падении напряжения на ИОН возрастает мощность рассеяния, но для контроля температуры микросхемы предусмотрен специальный вывод TEMP, напряжение на котором пропорционально температуре микросхемы. Контроль напряжения на этом выводе позволит избежать перегрева сверх максимального значения +125 °С или другого заданного разработчиком предела.

Хотя для использования ИОН серии ADR не требуются внешние компоненты, будет не лишним установить на вход и выход микросхемы ИОН керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, как показано на рис. 1. Конденсатор на выходе увеличит стабильность и послужит фильтром выходных шумов, а на входе сократит время протекания переходных процессов и уменьшит пульсации питания. Если пульсации питания велики, то параллельно конденсатору 0,1 мкФ можно подключить электролитический или танталовый конденсатор 1–10 мкФ.

Вывод TRIM в микросхемах позволяет изменить их выходное напряжение. Простейший вариант подстройки выходного напряжения показан на рис. 2. Резистор R1 величиной 470 кОм позволит увеличить плавность настройки, потенциометр POT надо выбрать многооборотным, иначе не удастся произвести точную подстройку.

Напряжение на выводе TEMP изменяется пропорционально изменению температуры, однако надо учесть, что производитель не указывает точность измерения, поэтому следует использовать такое напряжение скорее как справочное значение, а не для точных измерений. При температуре +25 °С напряжение на этом выводе составляет примерно 552 мВ и при увеличении температуры на 20 °С повышается на 39,2 мВ. Таким образом, чувствительность достигает 1,96 мВ/°С. Следует иметь в виду, что вывод TEMP подключен к опорному напряжению band gap, а потому нагрузка на данном выводе должна быть минимальной. Лучше всего подсоединять этот вывод к схеме через буфер с большим входным сопротивлением.

В выходном каскаде ИОН серии ADR применяется схема Дарлингтона на биполярных n-p-n-транзисторах и ток собственного потребления практически не зависит от тока нагрузки. Соответственно, на основе ИОН можно создавать прецизионные источники тока. Довольно простая схема такого источника изображена на рис. 3. Потенциометр ABW величиной 100 кОм введен в схему для регулирования тока.

Нагрузкой источника является резистор RL. Величина тока нагрузки IL = VREF/RSET. При использовании ИОН в различных схемах, в том числе с операционными усилителями, следует помнить, что выход рассмотренных ИОН рассчитан на вытекающий ток и даже небольшой втекающий ток может привести к увеличению погрешности выходного напряжения. При выборе резисторов не забудьте обратить внимание на их ТКС, он должен быть минимальным.

Однако не всегда можно удовлетвориться параметрами рассмотренных выше ИОН. А потому компания Analog Devices предлагает ИОН с лучшими параметрами — в частности, AD780. Его выходное напряжение составляет 2,5 или 3,0 В и программируется коммутацией внешних выводов. В отличие от рассмотренных выше ИОН серии ADR ИОН AD780 содержит встроенный буфер, поэтому максимальные втекающие и вытекающие токи равны и составляют 10 мА, что упрощает схемотехнику узлов с использованием AD780.

Лазерная подгонка при производстве позволяет уменьшить начальную погрешность до 1 мВ или 0,04% полной шкалы в случае напряжения 2,5 В, а максимальный температурный дрейф, в зависимости от исполнения, составляет 3 или 7 ppm/°С, что также существенно лучше, чем у ИОН серии ADR. Это иллюстрируется рис. 4, на котором показана зависимость погрешности напряжения ИОН AD780 от температуры. Как видно из рисунка, почти во всем рабочем диапазоне температур погрешность не превышает 1 мВ.
Ну и конечно, нельзя не сказать о долговременной стабильности опорного напряжения. У ИОН серии ADR она составляет ±20 ppm/1000 ч, а серии ADR — 50 ppm/1000 ч.

Описанные ИОН могут найти применение в очень многих функциональных узлах аналоговых схем. Вот некоторые из них: опорное напряжение для АЦП, ЦАП и аналоговых компараторов, источники прецизионного тока для питания датчиков, мониторинг напряжения аккумуляторных батарей и другие.

Таким образом ИОН серии ADR01, ADR02, ADR03, ADR06 и AD780 компании Analog Devices схожи по характеристикам, но AD780 имеет программируемое выходное напряжение и встроенный буфер, что позволяет упростить конечную схему. В линейке компании Analog Devices огромное количество различных ИОН. В данной статье показано, что выбор ИОН может и должен осуществляться в зависимости от требований конкретного проекта, и на примере продукции Analog Devices продемонстрировано широкие возможности такого выбора.

Источник