Исключение ошибок, обусловленных насыщением выходов операционных усилителей (ОУ), путем поддержания выходов ОУ «живыми» при напряжении ниже нуля – это задача, в которой несколько миллиампер и вольт (или даже долей одного вольта) стабилизированного напряжения отрицательной шины могут быть ключом к достижению точных аналоговых характеристик. Необходимость в стабилизации напряжения возникает потому, что сумма напряжений положительной и отрицательной шин не должна превышать значений, рекомендуемых для компонентов схемы. (Например, для показанного на Рисунке 1 ОУ TLV9064 это всего 5.5 В). Нестабилизированные инверторы могут приводить к перенапряжению чувствительных компонентов и поэтому не всегда подходят.
На Рисунке 1 показана схема. Простой инвертор на основе почтенного строенного двухпозиционного КМОП переключателя HC4053 и практически любого маломощного ОУ с rail-to-rail входами и выходом. Он эффективно и точно инвертирует напряжение положительной шины, вырабатывая программируемое отрицательное выходное напряжение, стабилизированное на уровне постоянной доли напряжения положительной шины. При VIN = 5 В его выходное напряжение подходит для токов от нуля до почти 20 мА, а верхний предел зависит от уровня VEE, выбранного соотношением сопротивлений резисторов R1 и R2. Кроме того, он дешев, и его стоимость конкурирует с менее универсальными устройствами, такими как LM7705. Он почти уникален тем, что позволяет программировать выходные напряжения сколь угодно близкие к нулю простым выбором сопротивления R2.
 |
|
| Рисунок 1. | U1 представляет собой эффективный инвертор напряжения на основе зарядового насоса с компаратором на операционном усилителе A1, обеспечивающим программируемое управление выходным напряжением. |
Но хватит рекламы. Вот как это работает.
U1a и U1b в сочетании с конденсатором C2 образуют инвертирующий зарядовый насос с плавающим конденсатором, передающий отрицательный заряд на конденсатор фильтра C3 для поддержания постоянного выходного напряжения VEE, управляемого усилителем A1. Перенос заряда происходит в цикле, который начинается с зарядки конденсатора C2 через коммутатор U1a до напряжения VIN, а затем завершается частичным разрядом C2 в конденсатор C3 через коммутатор U1b. Насос работает на частоте порядка 100 кГц под управлением генератора на элементе U1c, включенном как триггер Шмитта, так что перенос заряда происходит каждые 10 мкс. Обратите внимание на цепь положительной обратной связи коммутатора U1c на резисторе R3 и цепь отрицательной обратной связи на элементах R1, R2 и C1.
На Рисунке 2 приведены характеристики инвертора под нагрузкой при показанном на схеме соотношении сопротивлений R2 и R1.
 |
|
| Рисунок 2. | Зависимость выходного напряжения и КПД преобразования тока от выходного тока IEE при +VIN = 5 В. |
Ток холостого хода составляет менее 1 мА и делится между U1 и A1, причем львиная доля приходится на A1. Если нагрузка на шине VEE небольшая, ее напряжение может приближаться к –VIN тех пор, пока не сработает уставка напряжения стабилизации
Под нагрузкой максимальное напряжение (Max VEE) снижается со скоростью примерно 160 мВ/мА, но VEE остается стабильным до тех пор, пока уставка VEE будет хотя бы немного менее отрицательной, чем напряжение Max VEE.
Несколько слов о «вольтодобавке». Коммутатор U1b должен обрабатывать отрицательные напряжения, но в техническом описании HC4053 указано, что он не может работать, если на вывод 7 микросхемы не подать отрицательное напряжение. Поэтому первая задача U1 – обеспечить для себя отрицательное питание (вольтодобавку) путем подключения вывода 7 к VEE.
Компаратор на «поднулевом» ОУ A1 поддерживает напряжение
с помощью отрицательной обратной связи через резистор R6 на вывод 6 Enable элемента U1. Когда напряжение VEE более положительное, чем уставка, с выхода A1 на вывод 6 подается напряжение низкого уровня, включая генератор зарядового насоса U1c и заряжая конденсатор C3. И, наоборот, при равенстве VEE значению уставки высокий уровень на выводе 6 усилителя A1 выключает насос. Когда на выводе 6 высокий уровень, все ключи коммутатора U1 размыкаются, изолируя C2 и сохраняя остаточный заряд для последующих циклов зарядового насоса. Резистор R6 ограничивает ток через вывод 6, когда VEE < –0.5 В.
На Рисунке 3 показано, как отрицательная шина –500 мВ может позволить типичным низковольтным операционным усилителям (например, TLV900x) избежать насыщения при нулевом напряжении во всем диапазоне номинальных рабочих температур при выходных токах до 10 мА и выше. Меньшее напряжение или меньший допустимый ток могут негативно сказаться на точности аналоговых характеристик.
 |
|
| Рисунок 3. | Напряжение VEE = –500 мВ идеально подходит для предотвращения насыщения усилителя без перегрузки по напряжению низковольтных ОУ. |
Коммутаторы U1 работают по принципу «разрыв пред включением», что способствует повышению КПД зарядового насоса и минимизации шумов на шине VEE, но чтобы поддерживать низкий уровень пульсаций 100 кГц (порядка 1 мВ пик-пик при IEE = 10 мА), конденсатор C3 должен иметь низкое значение ESR. Если высокочастотные всплески создают проблемы, можно также параллельно C3 добавить низкоиндуктивный керамический конденсатор.
Примечание
Без малого четверть века я использовал 4053 в десятках проектов, но эта схема – первый случай, когда я нашел практическое применение выводу 6 (/ENABLE). Узнавайте что-то новое каждый день!
Купить TLV9064 на РадиоЛоцман.Цены
