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Nota dell’editore: questa è una serie di quattro parti di DI che propone miglioramenti nelle prestazioni di un PWM “tradizionale”, la cui uscita è un impulso rettangolare variabile con ciclo di lavoro che richiede il filtraggio da parte di un filtro analogico passa-basso per produrre un DAC. Questa seconda parte risolve l’incapacità dell’oscillazione dell’uscita degli amplificatori operazionali “rail-to-rail” di comprendere le tensioni del rail di alimentazione.
La parte 1 può essere trovata qui.
Recentemente sono state pubblicate numerose idee progettuali (DI) che riguardano modulatori di larghezza di impulso generati da microprocessore (μP) che guidano filtri passa-basso per produrre DAC. Sono stati introdotti approcci che affrontano l’attenuazione dell’ondulazione, la minimizzazione del tempo di assestamento e le limitazioni nell’accuratezza. Questo è il secondo di una serie di DI che propongono miglioramenti nelle prestazioni del DAC basato su PWM. Ciascuna delle raccomandazioni contenute nella serie è e sarà implementabile indipendentemente dalle altre. Questo DI risolve l’incapacità delle oscillazioni di uscita degli amplificatori operazionali “rail-to-rail” di comprendere le tensioni del rail di alimentazione. Riconoscendo che è necessario un amplificatore operazionale per bufferizzare un filtro da un carico CC per prevenire errori indotti dal carico e che questi dispositivi sono utili per implementare filtri analogici più efficaci, esiste un interesse legittimo a mitigare o eliminare questa imperfezione.
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Non significa niente se non ha quello swing (beh, più o meno…)
Le tensioni di ingresso in modo comune di molti amplificatori operazionali rail-to-rail possono essere 100 mV al di sopra dei binari di alimentazione positivi e al di sotto dei binari di alimentazione negativi, ma nessuno ha un intervallo di tensioni di uscita in modo comune che includa tali binari. La famiglia rail-rail OPA376, 2376 e 4376 con la sua eccellente tensione di offset in ingresso e i valori nominali di corrente di polarizzazione non sono diversi. Le versioni del contenitore SC70-5, SOT23-5 e SO-8 raggiungono entro 40 mV delle rotaie con un carico di 10 kΩ da -40°C a 125°C ed entro 50 mV con un carico di 2 kΩ. Esistono vari mezzi per affrontare questa limitazione.
Nello spirito di “Dottore, fa male quando faccio questo”, “Allora non fare quello!”: il software potrebbe semplicemente impedire l’impostazione di cicli di lavoro che porterebbero l’amplificatore operazionale troppo vicino a un binario di alimentazione. Ciò è piuttosto insoddisfacente se il codice che genera i valori del ciclo di lavoro prevede che i valori di zero e fondo scala (FS) siano eseguibili. Quindi, supponiamo che un amplificatore operazionale possa oscillare entro X mV sia dal suo binario positivo (VGG) e terra; invece di programmare il contatore PWM con un valore DC, programmarlo con DC’ = DC · (1 – α) + α · FS/2, dove α = X mV · 2 / VGG.
Se tale calcolo impone un onere software inaccettabile, esiste un approccio analogico correlato. In Figura 1, poniamo R = r · α / (1 – α). L’intero intervallo di valori CC è ora limitato a un intervallo che l’uscita dell’amplificatore operazionale può replicare.
Figura 1 Un mezzo puramente analogico per evitare tensioni di ingresso dell’amplificatore operazionale così vicine ai binari di alimentazione che l’uscita non può replicarle.
Se i resistori hanno una tolleranza dello 0,1%, l’errore di offset massimo è leggermente maggiore di 2-15·VGG. L’errore di guadagno è però maggiore: poco meno di 2-10 ·VGG. Con un’adeguata risoluzione di calcolo, il metodo di ridimensionamento del conteggio del ciclo di lavoro nel software porta a errori minori rispetto a quello puramente analogico.
In alcune applicazioni è fondamentale che il DAC possa oscillare verso terra. In altri, deve anche essere in grado di raggiungere la rotaia positiva del µP, VGG. Per ottenere ciò, è necessario generare tensione/i oltre (a) la/e linea/e di alimentazione. Ma in nessun caso l’intervallo delle tensioni di alimentazione può superare quello consigliato per l’amplificatore operazionale, che è 5,5 V per la famiglia OPAx376. Ciò richiede soluzioni diverse per il comune VGG valori di alimentazione di 1,8, 2,5, 3,3 e 5,0 V. Seguiremo ora una serie di schemi che contengono soluzioni per ciascuna di queste tensioni…
Il circuito per il binario positivo dell’amplificatore operazionale (OP+) può essere ignorato a favore di VGG se il DAC non ha bisogno di passare a VGG. LM7705 di Texas Instruments fornisce un mezzo completo ed elegante per generare una tensione solo leggermente più negativa della terra, consentendo così all’uscita dell’amplificatore operazionale di raggiungere 0 V (figura 2). Questa pompa di carica accetta una tensione di alimentazione da 3 a 5,25 V e fornisce un’uscita regolata di -230 mV fino a 20 mA. L’offerta LM7705 va oltre quelle di un semplice inverter con pompa di carica (che richiede un oscillatore esterno) in quanto:
- Un inverter imposta la tensione di alimentazione negativa della guida come negativa della tensione di alimentazione positiva. A VGG = 3 V e oltre, 3 V – (-3 V) supera la tensione di alimentazione differenziale massima V della famiglia OPAx376UpRange di 5,5 V. L’LM7705 fornisce una tensione negativa appena sufficiente e non più di quella necessaria.
- L’LM7705 ha un ingombro ridotto e incorpora un oscillatore e un’uscita CC regolata in un unico circuito integrato.
figura 2 Questa pompa di carica invertente semplice ed economica fornisce -0,23 V regolati per l’alimentazione negativa di un amplificatore operazionale rail-to-rail in modo che l’uscita dell’amplificatore operazionale possa oscillare verso terra e anche al di sotto.
Ma un’applicazione potrebbe anche richiedere il passaggio al binario positivo. La necessità di evitare intervalli di tensione di alimentazione superiori a 5,5 V per l’OPAx376 porta a soluzioni diverse per diversi valori di VGG (sempre considerato entro +/- 5% del valore nominale). La soluzione più semplice è per il caso di VGG pari a 1,8 V (Figura 3).
Figura 3 Soluzione per rimanere all’interno del range operativo di alimentazione per l’OPAx376 dove VGG = 1,8 V.
L’LM2664 è un inverter di tensione che genera -VGG da +VGG. Con l’aggiunta del d1D2C3 e C4una tensione di 2 · VGG – 2 · VD viene generato dove VD è la caduta di tensione ai capi dei diodi. OA+ è sufficiente sopra VGG per consentire all’uscita dell’amplificatore operazionale di includere il binario positivo. La differenza tra OA+ e OA- rientra tranquillamente nell’intervallo operativo di alimentazione (VUpRange) per l’OPAx376. Se il tuo VGG è compreso tra 1,8 e 5,5 V ed è inferiore a 1/3 della VUpRange del tuo amplificatore operazionale, questo circuito semplice ed economico potrebbe essere tutto ciò di cui hai bisogno. Ma se no…
Come mostrato in Figura 4lo stesso circuito costituisce la base per il funzionamento con un’alimentazione da 2,5 V, ma è necessario apportare modifiche per soddisfare VUpRange per l’OPAX376. Ciò si ottiene aggiungendo D3 e D4 per provocare cadute di tensione.
Figura 4 Soluzione per rimanere all’interno del range operativo di alimentazione per l’OPAx376 dove VGG = 2,5 V.
Combinazioni di variazioni del +/-5% in VGGle tolleranze nelle cadute di tensione dei diodi e le variazioni di temperatura e carico delle tensioni di uscita del circuito di cui sopra mettono in guardia dall’applicare la strategia di aggiungere più diodi in serie nel caso in cui VGG aumenta a 3,3 V (Figura 5).
Figura 5 Soluzione per rimanere all’interno del range operativo di alimentazione per l’OPAx376 dove VGG = 3,3 V.
In questo caso l’LM2664 svolge la stessa funzione di un VGG di 1,8 e 2,5 V. Ma alimenta un IC amplificatore operazionale economico che funziona come regolatore di tensione positivo e negativo. Il r6 / R7 Il divisore garantisce che l’LM358BI funzioni entro il suo intervallo di ingresso in modalità comune. (È VUpRange è maggiore di 30 V!) Le tensioni OA+ e OA- sono circa 100 mV oltre VDD = 3,3 V +/-5% e terra. Q1 e Q2 sono posizionati in anelli di retroazione per ridurre l’impedenza di uscita del regolatore. Poiché i binari dell’amplificatore operazionale devono essere disaccoppiati con condensatori da 0,1 µF con riferimento a terra, questa impedenza ridotta aumenta il punto di interruzione dell’alta frequenza del loop. Il risultato potrebbe essere instabile se non fosse per la combinazione di C5 e R3 e quello di C6 e R1. Queste coppie filtrano l’elevato sfasamento e il feedback ad alta frequenza prelevato dagli emettitori e assicurano che vengano regolate solo le frequenze medie fino alla CC, stabilendo così la stabilità. In questo circuito, i resistori hanno una tolleranza dell’1%.
Come mostrato in Figura 6il circuito per un 5 VVGG è simile a quello per 3,3 V, ma più semplice. In questo caso la tensione Pump+ più elevata significa che non ci sono preoccupazioni riguardo al funzionamento in modalità comune dell’ingresso e possiamo fare a meno di R6 e R7. I componenti passivi che compongono i regolatori sono ora identici.
Figura 6 Soluzione per rimanere all’interno del range operativo di alimentazione per l’OPAx376 dove VGG = 5 V.
Tensioni della linea di alimentazione comprese
In questo DI sono stati presentati diversi approcci per produrre DAC le cui oscillazioni di tensione comprendono i rail di alimentazione, o almeno mitigano i problemi associati a quelli che non lo fanno. Si spera che uno o più siano adatti alla tua applicazione.
Cristoforo Paolo ha lavorato in varie posizioni di ingegneria nel settore delle comunicazioni per oltre 40 anni.
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Le prestazioni post Parsing PWM (DAC): Parte 2: uscite rail-to-rail sono apparse per la prima volta su EDN.
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