Il punto d’incontro fra precisione e potenza

progettisti di dispositivi analogici di precisione contano spesso sul semplice, silenzioso riferimento di tensione per alimentare convertitori D/A e A/D. Ciò va oltre la sua funzione fondamentale, poiché viene progettato esclusivamente per fornire una tensione stabile, precisa e “pulita” all’ingresso di riferimento di un convertitore. Tenendo presenti alcune possibili complicazioni, questa soluzione in genere funziona, il che spiega perché ci si continua ad aspettare che i riferimenti possano essere utilizzati per applicazioni a correnti sempre più alte. Dopo tutto, se il riferimento può alimentare il convertitore, perché non la catena del segnale analogico, o un altro convertitore... l’elenco cresce, e perché no? Esistono molte occasioni, nel corso della progettazione, in cui si deve scegliere fra precisione e potenza. L’approccio “forza bruta” suggerisce l’uso di un riferimento quando si richiede precisione, e di un regolatore ogni qualvolta si richiedono milliwatt di potenza. A causa del costo e dello spazio su scheda aggiuntivi, occorre instradare segnali separati, anche se le loro tensioni nominali sono identiche. E se è necessario un generatore di tensione di alta precisione per fornire milliwatt di potenza, il progettista è costretto a bufferizzare un riferimento. Il circuito integrato LT6658 di Linear Technology (ora parte di Analog Devices) risolve questo dilemma fornendo due uscite di precisione a basso rumore con una corrente di uscita combinata pari a 200 mA e specifiche del riferimento avanzate.

Bassa deriva e basso rumore

Il circuito integrato LT6658 è un regolatore di precisione a bassa deriva e basso rumore con specifiche sulla precisione corrispondenti a quelle di un riferimento e potenza corrispondente a quella di un regolatore lineare. Presenta una deriva di soli 10 ppm/°C e precisione iniziale di 0,05%. Sul lato di potenza, l’LT6658 ha due uscite che generano l’una 150 e l’altra 50 mA, ciascuna in grado di assorbire attivamente 20 mA. Per mantenere la precisione, la regolazione del carico è uguale a 0,1 ppm/mA. La regolazione di linea è in genere pari a 1,4 ppm/V quando i pin di applicazione della tensione d’ingresso sono collegati fra di loro e inferiore a 0,1ppm/V quando i pin d’ingresso sono forniti con generatori indipendenti. Per illustrare meglio le caratteristiche e la modalità operativa dell’LT6658, nella Fig. 1 è mostrata un’applicazione tipica: l’LT6658 consiste di uno stadio band-gap, uno stadio di riduzione del rumore e due buffer di uscita. Lo stadio band-gap e i due buffer di uscita sono alimentati separatamente per offrire un isolamento eccezionale. Ciascun buffer di uscita è dotato di un pin di retroazione a quattro terminali ai fini di una regolazione ottimale del carico. La rete di riduzione del rumore consiste di un resistore da 400 W  con un pin per un condensatore esterno. Il circuito RC funziona da filtro passa basso, limitando in banda il rumore generato dallo stadio band-gap. Il condensatore può avere capacità arbitrariamente grande, riducendo la larghezza di banda del rumore a una frequenza molto bassa.

Generazione e assorbimento di corrente

Il regolatore LT6658 genera 150 mA al pin VOUT1_F e 50mA al pin VOUT2_F , ed entrambi i pin assorbono 20 mA. La funzionalità di assorbimento attivo contribuisce a un’eccellente risposta al transitorio e consente un breve tempo di assestamento. La risposta al transitorio è veloce, mentre viene mantenuta un’eccellente regolazione del carico: 0,1 ppm/mA.

Allineamento delle uscite

Per applicazioni con più convertitori che utilizzano riferimenti di tensione diversi, le due uscite dell’LT6658 si “inseguono”, rimanendo allineate l’una all’altra, anche se sono regolate a tensioni differenti, assicurando risultati di conversione costanti. Ciò è possibile poiché sono pilotate dallo stesso generatore di tensione. I buffer di uscita sono regolati con precisione e ne consegue un allineamento eccellente e una bassa deriva. Mentre il carico su VOUT1_F aumenta da 0 a 150 mA, la variazione dell’uscita VOUT2 è inferiore a 12 ppm. La relazione tra le uscite presenta quindi uno scarto ridottissimo anche al variare del carico e delle condizioni operative.

Reiezione dell’alimentatore e isolamento

Per facilitare livelli eccezionali della reiezione dell’alimentatore e dell’isolamento dell’uscita, l’LT6658 è dotato di tre pin di alimentazione: il pin VIN alimenta il circuito band-gap, mentre VIN1 e VIN2 alimentano, rispettivamente, VOUT1 e VOUT2. L’approccio più semplice consiste nel collegare tutti e tre i pin di alimentazione, ottenendo una reiezione tipica dell’alimentatore CC pari a 1,4ppm/V. Quando i pin di alimentazione sono collegati separatamente e il livello al pin di alimentazione VIN1 viene commutato alternativamente, la regolazione di linea CC per VOUT2 è uguale a 0,06 ppm/V. La tensione di alimentazione VIN ha la massima sensibilità, causando una variazione tipica di 1,4 ppm/V alle uscite. I pin di alimentazione VIN1 e VIN2 non hanno quasi alcun effetto. I buffer di uscita ben isolati attuano la reiezione dei transitori del carico applicati dal buffer adiacente, così che l’effetto sull’uscita adiacente è minimo.

Gestione della potenza e protezione

I tre pin di alimentazione agevolano la gestione della potenza dissipata nel package. Quando si applica una corrente notevole, la tensione di alimentazione va ridotta per ridurre al minimo la dissipazione di potenza nell’LT6658. La tensione applicata ai capi del dispositivo di uscita è inferiore, per cui diminuisce il consumo di potenza e aumenta l’efficienza. Un apposito pin, OD, disinserisce i buffer di uscita e porta i pin VOUT_F in uno stato di elevata impedenza. Ciò è utile se si genera una condizione di guasto. Ad esempio, un carico potrebbe danneggiarsi e andare in corto. Questo evento può essere rilevato da un circuito esterno ed entrambe le uscite possono essere disinserite. Questa funzione può essere ignorata e una debole corrente di pull-up inserisce i buffer di uscita quando il pin OD è flottante o è connesso a un livello alto. Il regolatore LT6658 viene fornito in un package munito di dissipatore esposto MSE-16 con una qJA bassissima, fino a 35 °C/W. Quando la tensione di alimentazione è elevata, l’efficienza della dissipazione di potenza è bassa e il package si surriscalda. Per esempio, una tensione di alimentazione di 32,5 V al carico massimo causa una potenza in eccesso di 30 V*0,2 A nei dispositivi di uscita. La potenza totale in eccesso è uguale a 6 W e questo fa sì che la temperatura interna della piastrina aumenti di 210 °C oltre la temperatura ambiente. Per proteggere il componente, un circuito di  arresto termico disinserisce ii buffer di uscita quando la temperatura della piastrina supera 165 °C.

L’importanza del rumore

Nel caso di convertitori di dati e altre applicazioni di precisione, il rumore è un parametro importante. Il basso rumore dell’LT6658 può essere ridotto ulteriormente aggiungendo un condensatore sull’apposito pin NR (noise reduction), creando così un filtro passa basso con un resistore da 400 W su chip. Un condensatore di notevole capacità riduce la frequenza di taglio del filtro e quindi il rumore integrato totale. Con un condensatore da 10 μF, il rumore si riduce a circa 7nV/√Hz. Aumentando la capacità all’uscita è possibile ridurre ancora di più il rumore. Se si aumenta la capacità sia del condensatore di uscita che di quello inserito sul pin NR, il rumore di uscita può essere ridotto fino ad alcuni microvolt. Il regolatore LT6658 è stabile con una capacità di uscita compresa fra 1μF e 50μF. L’uscita è pure stabile con una capacità notevole, se si inserisce in parallelo un condensatore ceramico da 1μF.

Applicazioni complesse

Il regolatore LT6658 può fornire potenza precisa, silenziosa per un’ampia gamma di applicazioni complesse. Quando si devono gestire segnali miscelati, i convertitori di dati spesso sono regolati da microcontrollori o Fpga. I sensori inviano segnali a circuiti di elaborazione analogici e convertitori, e sia gli uni che gli altri richiedono alimentatori “puliti”. Il microcontrollore può avere diversi ingressi di alimentazione, tra cui uno o più per potenza analogica. Come regola generale, tensioni di alimentazione digitali rumorose per il microcontrollore devono essere isolate dal riferimento e dall’alimentatore analogico preciso e pulito. Le due uscite dell’LT6658 assicurano un eccellente isolamento tra un canale e l’altro, reiezione dell’alimentatore e capacità di generare la corrente di alimentazione, garantendo potenza pulita a più circuiti analogici sensibili. Il regolatore LT6658 è ideale anche per ambienti industriali grazie alla possibilità di funzionare con linee di alimentazione rumorose e nei casi in cui glitch del carico dovuti a conversioni su un’uscita hanno effetto ridottissimo sull’uscita adiacente. Non solo: quando un carico richiede corrente su un’uscita, l’uscita adiacente rimane allineata. L’LT6658 può alimentare circuiti digitali rumorosi, mantenendo al tempo stesso una tensione di riferimento precisa e silenziosa per un convertitore AD di precisione. In questa applicazione, l’LT6658 o un regolatore separato eroga potenza a una linea da 3,3 V che pilota un alimentatore Fpga rumoroso e vari circuiti logici su un canale, e 5 V all’ingresso di riferimento del convertitore AD a 20 bit sull’altro canale. Commutando l’alimentatore digitale fra l’LT6658 e il regolatore, si può valutare l’efficacia con cui l’LT6658 sia in grado di isolare il rumore digitale su un canale dal canale che pilota l’ingresso di riferimento silenzioso del convertitore AD a 20 bit. Utilizzando un generatore CC pulito sull’ingresso del convertitore AD, è possibile inferire il rumore.

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