Получите шины ±10 В, удвоив и инвертировав напряжение 5 В с помощью двух стандартных микросхем

Объединение в одной конструкции аналоговых схем и цифровой логики часто требует добавление одной или двух дополнительных шин питания. Превосходный коэффициент подавления помех от источника питания прецизионных операционных усилителей (обычно много больше 100 дБ) делает их неприхотливыми к колебаниям напряжения шины питания. Это упрощает схему источника питания и облегчает задачу проектирования, делая его несложным и недорогим.

Вот вариация на тему популярного преобразователя напряжения на основе зарядового насоса с плавающим конденсатором, в которой используются преимущества невосприимчивости операционного усилителя к далеко не идеальной стабилизации напряжения. Преобразователь сначала удваивает, а затем инвертирует напряжение 5 В для формирования номинально симметричных положительных и отрицательных 10-вольтовых шин, каждая из которых может легко отдавать ток в несколько миллиампер. Весь преобразователь состоит из двух недорогих 20-вольтовых КМОП микросхем строенных двухпозиционных переключателей CD4053B на основе транзисторов с металлическими затворами, а также всего восьми пассивных компонентов. Схема показана на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Мультивибратор (U2b) с частотой 25 кГц тактирует переключатели плавающего конденсатора, которые сначала удваивают напряжение 5 В до +10 В (параллельные U1a, U1c и U2a, U2c), а затем инвертируют его до –10 В (U1b и U2b).

Включенные параллельно переключатели U1c и U2c, работающие на частоте F_PUMP = 25 кГц, попеременно соединяют верхний конец «плавающего» конденсатора С2 с землей и шиной +5 В, тогда как U1a и U2a синхронно переключают его нижний конец между +5 В и +10 В, образуя емкостный зарядовый насос, удваивающий напряжение. Подключение шины 10 В, получившейся на выводах 13 элементов U1 и U2, к выводам 16 элементов U1 и U2 реализует первую упомянутую выше «вольтодобавку», при которой переключатели подают 10 В сами на себя. Диод D1 запускает работу преобразователя при включении питания, первоначально обеспечивая его напряжением около +5 В, пока не заработает зарядовый насос, после чего D1 смещается в обратном направлении и отключается.

Попарное объединение переключателей зарядового насоса U1a, U2a и U1c, U2c позволяет вдвое снизить эффективное выходное сопротивление выхода +10 В до значения порядка 180 Ом. Это важно, поскольку выход +10 В питает не только внешнюю нагрузку, но и внутренний инвертор напряжения U1b, U2b (подробнее об этом позже). Кроме того, эти КМОП переключатели с металлическими затворами с относительно высоким сопротивлением во включенном состоянии нуждаются в любой помощи, которую они могут получить. В результате получается довольно жесткое выходное напряжение +10 В, которое падает с увеличением тока нагрузки со скоростью 180 мВ/мА в соответствии с этим выражением:

V⁺ = 10 В – 180(I⁺ + I^–),

где

I⁺ – выходной ток нагрузки шины +10 В,
I^– – выходной ток нагрузки шины –10 В.

Тактовая частота зарядового насоса 25 кГц обеспечивается «объединенным» генератором, состоящим из переключателя U2b, управляемого положительной обратной связью. От элемента U2c через конденсатор C1 и отрицательную обратную связь через резистор R1, генерируя:

Рабочая частота насоса будет несколько меняться в зависимости от разброса номиналов компонентов и нагрузки на выходы 10 В, но поскольку тактовая частота не является критичной, любое влияние на характеристики насоса будет незначительным.

Полученные осциллограммы сигналов генератора показаны на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Осциллограммы 25-килогерцовых сигналов мультивибратора размахом 10 В.

Инвертирование напряжения +10 В для получения –10 В осуществляется с помощью элементов U1b и U2b, переключающих конденсатор C4 между +10 В и землей с левой стороны и землей и –10 В справа. Подключение к выводу 7 обеспечивает вторую «вольтодобавку». Диод D2 делает напряжение вывода 7 достаточно близким к земле, чтобы переключатели начали работать при включении питания, пока не заработает зарядовый насос.

В результате получается напряжение отрицательной шины, которое реагирует на нагрузку в соответствии со следующим выражением:

V^– = –10 В + (430·I^– + 180·I⁺),

где

I⁺ – выходной ток нагрузки шины +10 В,
I^– – выходной ток нагрузки шины –10 В.

Зависимость двух выходных напряжений от нагрузки графически представлена на Рисунке 3.

Рисунок 3.

Выходные напряжения при четырех сценариях нагрузки: (1) Выход +10 В при изменении его тока нагрузки от 0 до 10 мА и ненагруженном выходе –10 В; (2) Выход +10 В при одинаково изменяющихся токах нагрузки выходов +10 В и –10 В от 0 до 10 мА; (3) Выход –10 В при изменении его тока нагрузки от 0 до 10 мА и ненагруженном выходе +10 В; (4) Выход –10 В при одинаково изменяющихся токах нагрузки выходов +10 В и –10 В от 0 до 10 мА;

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments CD4053BE