При выборе буферного операционного усилителя (ОУ) для нового ЦАП высокого разрешения с однополярным питанием рассматривался вопрос об отрицательном источнике питания, поскольку ОУ должен был обеспечивать на своем выходе истинное нулевое напряжение.
Например, типичный операционный усилитель с rail-to-rail выходом не может обеспечить истинное нулевое напряжение; он может гарантировать на своем выходе не менее нескольких мВ, в то время как ЦАП высокого разрешения может иметь разрешение в десятки микровольт. Но приложению требовался истинно нулевой выходной сигнал, отсюда и проблема.
Естественно, чтобы увеличить «запас» около нуля, был нужен какой-то источник отрицательного напряжения. Было намерение снова использовать схему преобразователя Чука, подобную старой схеме, опубликованной в EDN [1], но с выходным напряжением всего около –1 В и небольшим – менее 2 мА – выходным током.
При изучении альтернативных вариантов возникла идея вместо обычного преобразователя напряжения использовать фотоэлемент. В результате получилась схема, показанная на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Использование фотоэлементов вместо преобразователя напряжения позволяет обеспечить истинно нулевое напряжение на выходе буферного операционного усилителя для ЦАП высокого разрешения с однополярным питанием. |
Решение имеет размеры, сопоставимые со схемой на основе конфигурации Чука, хотя и меньший КПД. Но поскольку избыточная мощность не превышает 0.1 Вт, это может быть неважно.
Такое решение имеет важные преимущества:
- Оно гораздо проще.
- Оно создает очень низкий уровень электрических шумов, что имеет большое значение при работе со слабыми аналоговыми сигналами. (В данной схеме выходной шум был менее 1 мВ даже без выходного конденсатора С1).
- Исключены любые перенапряжения на его выходе (в то время как преобразователь Чука может создавать такие перенапряжения при возникновении проблем с обратной связью).
- Также следует отметить отличный уровень изоляции, хотя в нашем случае это не принципиально.
Поскольку внешние габариты гаджета определяет фотоэлемент, был использован миниатюрный фотоэлемент AM-1417 фирмы Toshiba. Его размеры составляют всего 34 × 14 × 2 мм, и он состоит из 4 секций, а это значит, что 4 светодиода – по одному на каждую секцию – без нагрузки выдают около 3 В.
4 светодиода – вполне обычные, семейства ярко-красных устройств (L-513HURC, 1800 мкд в угле 15°), поскольку кремниевый фотоэлемент имеет максимальную эффективность именно в этой области спектра.
Красные светодиоды предпочтительнее также для источника питания +5 В, поскольку их низкое прямое напряжение позволяет очень просто удвоить КПД, соединяя их последовательными парами с общим током.
Схема вырабатывает напряжение 490…520 мВ на нагрузке 2 кОм при токе светодиодов 20 мА. Этого более чем достаточно для нескольких микромощных операционных усилителей, таких как AD8603/AD8607.
Выходное напряжение фотоэлемента можно изменять, изменяя ток через светодиоды.
Фотоэлемент является источником тока, а не напряжения, поэтому конденсатор C1 необходим для уменьшения выходного сопротивления схемы. Диод D1 обеспечивает путь для втекающего тока и защищает этот электролитический конденсатор, если отрицательное напряжение по какой-либо причине исчезнет.
Как я уже говорил, выходной мощности вполне достаточно для прецизионного микромощного ОУ, такого как, например, AD8603. Если требуется больше мощности, можно увеличить ток через светодиоды, выбрать более эффективную пару светодиод/фотоэлемент или просто соединить несколько таких схем параллельно.
