Проблема повышения точности аналоговых/ цифровых сигналов за счет предотвращения насыщения усилителей в системах, подключенных только к одной шине питания логических устройств, в последнее время обсуждается более активно и требует творческого подхода к проектированию. Наибольшее внимание уделяют инверторам, формирующим напряжения отрицательной шины для поддержания выходной схемы rail-to-rail усилителя в «живом» состоянии при нулевом напряжении. Но постоянный и изобретательный автор EDN Кристофер Пол указывает, что точные rail-to-rail аналоговые сигналы нуждаются в таком же расширении напряжения положительной шины по той же самой причине. Он представил несколько интересных и инновационных схем для достижения этой цели в своей статье «Анализ характеристик ШИМ (ЦАП). Часть 2 – Rail-to-rail выходы». [1].
В представленной здесь схеме затрагивается та же тема, но предлагается иной вариант ее воплощения. Выходное напряжение инвертора регулируется путем кратковременного (порядка десятков микросекунд) цифрового отключения емкостных зарядовых насосов вместо линейного регулирования напряжений после выходов зарядовых насосов. Это обеспечивает очень низкий ток покоя (менее 50 мкА) и хороший КПД по току (примерно 95% при токе нагрузки 1 мА и 99% при токе нагрузки 5 мА).
На Рисунке 1 показано, как это работает.
 |
|
| Рисунок 1. | Прямое управление зарядовым насосом обеспечивает эффективное формирование и стабилизацию биполярных напряжений за пределами напряжений шин питания. |
Генератор на триггере Шмитта U1a формирует непрерывный тактовый сигнал порядка 100 кГц для драйверов зарядового насоса U1b (насос для положительной шины питания) и U1c (для отрицательной шины). Когда работа драйверов разрешена, они могут отдавать выходной ток до 24 мА через соответствующие диодно-конденсаторные зарядовые насосы и связанные с ними фильтры: C4+C5 для положительной шины, C7+C8 для отрицательной. Пиковый размах выходных пульсаций составляет примерно 10 мВ.
Стабилизация выходного напряжения обеспечивается за счет управления накачкой заряда термокомпенсированными компараторами на дискретных транзисторах: Q1-Q2 для U1c на отрицательной шине и Q3-Q4 для U1b на положительной. Средний ток, потребляемый каждым компаратором, составляет примерно 4 мкА, что позволяет достичь упомянутых ранее показателей низкого энергопотребления. Коэффициент усиления напряжения компаратора составляет приблизительно 40 дБ, то есть 100:1.
Значения ∆, на которые напряжения схемы выходят за пределы шин питания, по отношению к +5 В устанавливаются следующим соотношениями:
что при указанных на схеме номиналах компонентов для отрицательной шины дает –250 мВ, и
что для положительной шины дает +250 мВ.
Обратите внимание, что полярность выходного сигнала компаратора Q1-Q2 противоположна логическому уровню, необходимому для правильного управления насосом U1c. Указанная проблема решается с помощью оказавшегося под рукой инвертора U1d.
Ссылки
- Paul, Christopher. “Parsing PWM (DAC) performance: Part 2 – Rail-to-rail outputs.”
Купить MC74AC132 на РадиоЛоцман.Цены
