Создание мощной виртуальной земли с помощью шести буферов и двух MOSFET

Виртуальная земля необходима, когда требуется организовать двуполярное питание, располагая лишь однополярным источником, например, батареей в портативном устройстве. Иногда сделать это совсем несложно, создав среднюю точку с помощью делителя из высокоомных резисторов. А если импеданс земли должен быть более низким, чем может обеспечить делитель, это простое решение можно усовершенствовать, добавив буферный усилитель.

Однако в случае дисбаланса токов в созданной таким образом земле задача усложняется, так как буфер должен быть уже не просто мощным, а способным рассеивать энергию, пропорциональную разнице токов в плечах. Это нерационально, расточительно, и даже может потребовать применения громоздких радиаторов.

Рисунок 1.	Несмотря на то, что для этой схемы требуется больше компонентов, чем для решения на основе классического резистивного делителя, собранный на шести инверторах генератор/усилитель класса D, управляющий двумя MOSFET, намного повышает качество виртуальной земли.

В предлагаемой схеме (Рисунок 1) проблема решается просто, дешево и эффективно. Резистивный делитель и буфер в этой схеме сохранились, однако используются теперь совсем по-другому. Буфер превратился в усилитель-генератор класса D, способный отдавать в землю много ампер тока и возвращать любой «разбаланс» обратно в источник питания. Схема компактна и эффективна, а формируемая ею мощная земля стабильна и точна.

Генератор сделан на шестиканальной КМОП микросхеме буферного инвертора CD4069. Большинство инверторов просто выполняет функцию драйверов затворов мощных MOSFET. Вместе с установленным на входе инвертором U1 элементы микросхемы CD4069 образуют неинвертирующий усилитель. Через конденсатор C3 замыкается цепь положительной обратной связи, обеспечивающей автоколебания схемы.

Вся схема управления питается плавающим напряжением, привязанным к выходу. Это напряжение создается из входного постоянного напряжения диодами D3 … D6 и парой резисторов R6/R7. R2 и R3 задают потенциал виртуальной земли. В рассматриваемом примере эти резисторы равны, что чаще всего и требуется, однако ничто не мешает сделать источник питания асимметричным.

Для повышения точности между R2 и R3 можно добавить подстроечный резистор. С показанными на схеме номиналами компонентов частота ШИМ составляет примерно 45 кГц. В случае необходимости изменить частоту следует подобрать другой конденсатор C3.

Мощные MOSFET и индуктивность следует выбирать в соответствии с ожидаемым выходным током. Если требуется особо чистая земля, удалить остаточные пульсации можно с помощью LC фильтра, включенного после элементов L1 и C6/C7.