Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2015
Chapin Wong, Maxim Integrated
Application Note 5978
В некоторых приложениях может потребоваться источник отрицательного опорного напряжения (ИОН), обычно никем не предлагаемый в виде законченного компонента. До сих пор наиболее распространенный способ формирования отрицательного напряжения основывался на использовании операционного усилителя (ОУ), инвертирующего выходной сигнал прецизионного источника положительного напряжения. При таком подходе, как правило, требуются источник положительного опорного напряжения, ОУ и две шины питания.
В основу другого подхода положено использование инвертора напряжения на коммутируемых конденсаторах. Для этого метода понадобятся ИОН, зарядовый насос, ОУ и положительная шина питания. Хотя оба этих решения вполне работоспособны, каждое из них требует нескольких компонентов. Кроме того, большое количество компонентов увеличивает цену изделия, что, конечно же, нежелательно.
В статье представлен простой способ формирования отрицательного опорного напряжения из единственного источника питания, для реализации которого используется ОУ с интегрированным зарядовым насосом. Комбинация ОУ и зарядового насоса имеется, например, в микросхеме MAX9820, изначально разработанной для использования в качестве стерео усилителя для головных телефонов и поддерживающей различные функции, необходимые для аудио приложений. Здесь, однако, он служит другой цели, являясь основой схемы, формирующей отрицательное опорное напряжение при минимальном количестве внешних компонентов и единственной шине питания.
Описание схемы
В схеме на Рисунке 1 для формирования отрицательного опорного напряжения используются 3-вольтовый последовательный ИОН (U1) и ОУ с внутренним зарядовым насосом (U2). U1 обеспечивает на выходе точное напряжение 3 В, потребляя ток менее 5 мкА. В этой конфигурации выход U1 подключен к петле обратной связи усилителя U2. Благодаря отрицательной обратной связи на выходе ОУ установится напряжение –3 В. Низкое напряжение смещения выхода U2 в сочетании с прецизионностью U1 обеспечивают высокую точность выходного отрицательного напряжения.
 |
|
| Рисунок 1. | Эта схема формирует отрицательное опорное напряжение. Выход микросхемы ИОН U1 (MAX6010A) подключен к входу операционного усилителя U2 (MAX9820). Напряжение на выходе U2 имеет отрицательный знак. |
Напряжение питания схемы должно быть достаточно высоким, чтобы иметь определенный запас для ИОН и ОУ. Микросхеме ИОН для формирования напряжения 3 В требуется входное напряжение не менее 3.2 В. Максимально допустимое напряжение питания и наибольшее рабочее напряжение обеих микросхем U1 и U2 равно 6 В и 5.5 В, соответственно. Эти требования определяют диапазон возможных напряжений шины питания – от 3.2 В до 5.5 В.
Возле источника опорного напряжения необходимо установить развязывающие конденсаторы. Рекомендуемые величины емкостей – 0.1 мкФ на входе и 0.01 мкФ на выходе. На схеме не показан элемент развязки питания усилителя U2, который должен состоять из включенных параллельно конденсаторов 10 мкФ и 0.1 мкФ.
В качестве R1 и R2 должны использоваться высокоточные согласованные резисторы, обеспечивающие стабильность выходного напряжения во всем диапазоне рабочих температур обоих компонентов (–40 °C … +85 °C).
 |
|
| Рисунок 2. | Здесь в схеме Рисунок 1 два резистора заменены микросхемой U3 (MAX5491) прецизионного согласованного делителя. |
Есть более дорогая, но и более точная альтернатива использованию двух согласованных резисторов – включение в цепь обратной связи интегрального прецизионного резисторного делителя (Рисунок 2). Например, рассогласование сопротивлений в микросхеме MAX5491 (U3) составляет 0.035% для группы A, 0.05% для группы B и 0.1% для C в температурном диапазоне, перекрывающем область рабочих температур ИОН и ОУ. Этот прибор будет идеальным дополнением к регулятору напряжения.
 |
|
| Рисунок 3. | Зависимость выходного напряжения от температуры для схемы на Рисунке 1. |
На Рисунке 3 представлена зависимость выходного напряжения от температуры для схемы на Рисунке 1. Наибольшее отклонение напряжения в диапазоне –40 °C … +85 °C составило 3 мВ, что не выходит за пределы максимальных значений, указанных в справочных данных на микросхему U1.
 |
|
| Рисунок 4. | Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки для схемы на Рисунке 1. |
Рисунок 4 демонстрирует зависимость выходного напряжения от тока нагрузки для схемы на Рисунке 1 при –40 °C, +25 °C и +85 °C. Испытания выполнялись с двумя резисторами в цепи обратной связи, имеющими допуск 1%, при напряжении питания 5 В.
