Il “Refulator”: le funzionalità di un riferimento di tensione di precisione da 200 mA

I progettisti di elettronica analogica di precisione fanno spesso affidamento sulla semplice silenziosità di un riferimento di tensione per alimentare i propri convertitori DAC e ADC. Questo impiego esula da quelli principali di un voltage reference – evidentemente concepito per fornire una tensione stabile, precisa e pulita a una fonte d’alimentazione vera e propria; di fatto, l’ingresso di riferimento di un convertitore di potenza. Di solito, anche se con qualche limitazione, i Voltage Reference sono più che in grado di fornire tensioni precise all’ingresso “reference” del convertitore, incoraggiando così i progettisti a utilizzare questi dispositivi per alimentare applicazioni a corrente più elevata. Dopotutto, se il riferimento può alimentare il convertitore, perché non utilizzarlo anche per la catena analogica di segnale o un altro convertitore, e così via?

La scelta tra precisione e potenza si pone in qualsiasi percorso di progetto. Per prendere una decisione, un approccio un po’ brutale potrebbe far propendere per un generatore di riferimento quando si richiede la precisione e per un LDO quando sono necessari vari milliwatt di potenza. Oltre a spazio extra su scheda e costi aggiuntivi, si devono predisporre linee di segnale separate, anche se le rispettive tensioni nominali sono identiche. Inoltre, se è necessario che una fonte di tensione ad alta precisione fornisca molti milliwatt di potenza, il progettista è costretto ad amplificare il riferimento. L’LT6658 risolve il dilemma fornendo due uscite di precisione a basso rumore per una corrente complessiva d’uscita di 200 mA, con specifiche che rappresentano un punto di riferimento mondiale.

LT6658, un regolatore “reference quality” a bassa deriva

L’LT6658 è un regolatore di precisione a basso rumore e bassa deriva, con specifiche di accuratezza tipiche di un riferimento dedicato e la potenza di un regolatore lineare, che unisce i tratti di entrambi nella tecnologia Refulator di Analog Devices.

L’LT6658 vanta una deriva di 10 ppm/°C e un’accuratezza iniziale dello 0,05%, con due uscite che possono supportare rispettivamente 150 e 50 mA, entrambe dotate anche di funzionalità di assorbimento attivo fino a 20 mA. Per mantenere l’accuratezza, la regolazione su carico è di 0,1 ppm/mA. La regolazione su linea è tipicamente di 1,4 ppm/V quando i pin della tensione d’ingresso sono collegati in parallelo e meno di 0,1 ppm/V quando i medesimi ricevono alimentazioni indipendenti.

Per meglio comprendere quali siano le caratteristiche dell’LT6658 e come questo raggiunga il suo elevato livello di prestazioni, nella Figura 1 viene illustrata un’applicazione tipica. L’LT6658 consiste di uno stadio band gap, uno per la riduzione del rumore e due buffer di uscita. Il band gap e i due buffer di uscita sono alimentati separatamente, per fornire un isolamento di livello eccezionale. Per una regolazione ottimale del carico, ciascun buffer d’uscita riceve il feedback su un pin di sense in collegamento Kelvin.

Figura 1. Un’applicazione tipica.

Lo stadio di riduzione del rumore consiste di un resistore da 400 Ω collegato a un pin che permette l’impiego di un condensatore esterno. La rete RC agisce come filtro passa-basso, limitando la larghezza di banda del rumore proveniente dallo stadio band gap. Il condensatore esterno può essere scelto arbitrariamente di valore elevato, limitando la banda di rumore a una frequenza molto bassa.

Risposta veloce e silenziosa alle variazioni di carico

Come regolatore, l’LT6658 fornisce 150 mA dal pin VOUT1_F con un’eccellente risposta al transiente. La Figura 2a mostra la risposta a una variazione di carico con step di 1 mA, da 10 mA a 11 mA. La Figura 2b mostra la risposta a uno step di carico di 140 mA, da 10 mA a 150 mA. Le funzionalità “sink” e “source” del buffer d’uscita permettono la stabilizzazione rapida dell’uscita stessa.

La risposta al transiente è veloce e permette di mantenere una regolazione del carico eccellente. La variazione su carico è soltanto di 0,1 ppm/mA. La seconda uscita, VOUT2_F, ha una risposta analoga, con un carico massimo di 50 mA.

Figura 2a. Risposta a uno step di carico di 1 mA.

 

Figura 2b. Risposta a uno step di carico di 140 mA.

 

Tracking in uscita

Per applicazioni con convertitori multipli che usano diversi riferimenti di tensione, le uscite dell’LT6658 eseguono il tracking, anche se sono predisposte per tensioni diverse – garantendo risultati di conversione consistenti. Ciò è possibile perché le due uscite dell’LT6658 sono pilotate da una sorgente di tensione comune. I buffer d’uscita sono calibrati, per un tracking eccellente e bassa deriva. All’aumento del carico su VOUT1_F da 0 mA a 150 mA, l’uscita VOUT2 varia meno di 12 ppm, come illustrato in Figura 3.

Ciò significa che la relazione tra le uscite viene mantenuta efficacemente, anche a fronte di situazioni mutevoli relative al carico e alle condizioni di funzionamento.

Figura 3. Regolazione su carico canale-canale (con rimozione dell’effetto del riscaldamento).

Reiezione dell’alimentazione e isolamento

Per consentire reiezione d’alimentazione e isolamento d’uscita eccezionali, l’LT6658 è dotato di tre pin d’alimentazione. Il pin VIN fornisce alimentazione al circuito band gap, mentre le VIN1 e VIN2 forniscono potenza rispettivamente a VOUT1 e VOUT2. L’approccio più semplice è quello di collegare in parallelo i tre pin d’alimentazione, ottenendo un valore tipico di reiezione dc di 1,4 ppm/V. Quando i pin di alimentazione sono collegati separatamente e viene applicata l’alimentazione su VIN1, la regolazione di linea in dc per VOUT2 è di 0,06 ppm/V.

La tabella 1 riassume i valori di reiezione quando la tensione su ciascuno dei pin d’alimentazione viene fatta variare da 5 V a 36 V. L’ingresso VIN presenta la sensibilità maggiore, causando una variazione tipica di 1,4 ppm/V alle uscite. I pin di alimentazione VIN1 e VIN2 non hanno praticamente alcun effetto. Le misure riportate nelle colonne VIN1 e VIN2 sono a livello del rumore d’uscita.

Tabella 1. Contributi di errore con/senza calibrazione 

Step d’alimentazione V
(da 5 V a 36 V)
VIN1
(da 5 V a 36 V)
VIN
(da 5 V a 36 V)
VIN = VIN1 = VIN2
(da 5 V a 36 V)
Unità
Bypass 0,01 0,02 1,36 1,36 ppm/V
VOUT1 0,07 0,01 1,34 1,43 ppm/V
VOUT2 0,03 0,06 1,39 1,37 ppm/V

Nella Figura 4 sono illustrati due esempi di PSRR ac. Il primo utilizza un condensatore da 1 μF sul pin NR mentre il secondo esempio include un condensatore da 10 μF sul medesimo pin NR. Il condensatore più capace da 10 μF estende a 2 kHz il valore di reiezione di 107 dB.

 

Figura 4. Tracciato PSSR su frequenza con Cnr da 1 μF e 10 μF

 Il tracciato di Figura 5 illustra l’isolamento d’alimentazione canale-canale da VIN1 a VOUT2. Qui l’isolamento d’alimentazione canale-canale è superiore a 70 dB oltre 100 kHz, con CNR = 10 μF.

Figura 5. Isolamento canale-canale da VOUT1 a VOUT2.

 

I transienti di carico hanno un effetto minimo sull’uscita adiacente. La Figura 6a e la Figura 6b illustrano l’isolamento canale-canale dell’uscita. Un’uscita si muove intorno a 50 mV rms e la variazione sull’altra si evince dal tracciato.

Figura 6a. Isolamento canale-canale da VOUT1 a VOUT2.

 

Figura 6b. Isolamento canale-canale da VOUT2 a VOUT1.

 

Utilizzando il circuito illustrato in Figura 7 è possibile raggiungere un valore di PSRR ac straordinario. L’uscita VOUT1  attiva gli ingressi VIN e VIN2 , dando luogo a un riferimento ricorsivo.

Figura 7a. Soluzione ricorsiva di riferimento (VOUT1 alimenta VIN e VIN2).

Figura 7b. Tracciato PSSR AC per il circuito ricorsivo di riferimento.

Gestione dell’alimentazione e protezione

La disponibilità di tre pin d’alimentazione aiuta a gestire l’entità della potenza dissipata nel package. Dovendo erogare correnti elevate, è opportuno ridurre la tensione di ingresso per minimizzare la dissipazione di potenza nell’LT6658. In questo modo, sul dispositivo di uscita sarà presente una tensione più bassa, portando a un consumo inferiore e un livello d’efficienza più elevato.

Il pin “output disable” OD disattiva i buffer d’uscita e porta i pin VOUT_F  in uno stato di alta impedenza. Questo può risultare utile in caso di anomalie. Per esempio, un carico si può guastare e andare in cortocircuito. Questa eventualità può essere rilevata dalla circuiteria esterna ed entrambe le uscite possono essere disabilitate. Questa caratteristica si può ignorare, con una debole corrente di pull-up per abilitare i buffer d’uscita quando il pin OD è floating o tenuto alto.

L’LT6658 viene fornito in un package MSE da 16-pin con exposed pad, con una θJA di appena 35°C/W. Quando la tensione d’alimentazione è elevata, l’efficienza energetica è bassa, provocando l’eccessivo riscaldamento del package. Per esempio, una tensione d’alimentazione di 32,5 V a pieno carico fa sì che il dispositivo d’uscita debba dissipare una potenza in eccesso pari a 30V × 0,2A. 6W di potenza da dissipare potrebbero far salire la temperatura interna del die fino a un pericoloso innalzamento di 210°C rispetto alla temperatura ambiente. Per proteggere il componente, un circuito di shutdown termico disabilita i buffer di uscita quando la temperatura del die supera i 165°C.

Rumore

Nella conversione dati e in altre applicazioni di precisione, il rumore merita una considerazione importante. Il basso livello di rumore dell’LT6658 può essere ulteriormente ridotto con l’aggiunta di un condensatore sul pin NR (noise reduction). Un condensatore collegato sul pin NR forma un filtro passa-basso con un resistore on-chip da 400 Ω. Un condensatore di capacità elevata abbassa la frequenza di taglio e, conseguentemente, il rumore complessivo integrato. La Figura 8 illustra gli effetti dell’aumento della capacità applicata al pin NR. Con un condensatore da 10 μF il rumore scende a circa 7 nV/√Hz.

Figura 8. Riduzione del rumore con l’aumento di CNR.

Aumentando la capacità del condensatore d’uscita, il rumore può essere ulteriormente ridotto. Aumentando le capacità sia del condensatore su NR che di quello in uscita, il livello di rumore può essere ridotto fino a pochi µV. L’LT6658 funziona in modo stabile con capacità d’uscita tra 1μF e 50μF. Con l’uso di capacità elevate, l’uscita si può mantenere altrettanto stabile collegando in parallelo un condensatore ceramico da 1μF. Per esempio, la Figura 9a illustra un circuito con un condensatore ceramico da

1μF collegato in parallelo ad un condensatore in polialluminio da 100μF. Questa configurazione rimane stabile, riducendo la larghezza di banda del rumore. La Figura 9b illustra la risposta in termini di rumore per diversi valori di capacità in uscita. Nei tre casi, un piccolo condensatore ceramico da 1μF viene sempre collegato in parallelo a quello di capacità più elevata.

 

 

Figura 9a. Riduzione del rumore con l’aumento di C1.

 

Figura 9b. Riduzione del rumore con l’aumento di C1.

Uno svantaggio di questo schema è rappresentato dai picchi di rumore, che si sommano al rumore complessivo integrato.

Per ridurre questi picchi, si può inserire una resistenza da 1Ω in serie al condensatore di capacità elevata, come illustrato in

Figura 10a. Il rumore della tensione d’uscita e il rumore integrato complessivo sono illustrati rispettivamente nelle Figure 10b e 10c.

Figura 10a. Riduzione dei picchi di rumore con l’aggiunta di un resistore da 1 Ω in serie a C2.

 


Figura 10b. Riduzione dei picchi di rumore con l’aggiunta di un resistore da 1 Ω in serie a C2.

 

Figura 10c. Riduzione dei picchi di rumore con l’aggiunta di un resistore da 1 Ω in serie a C2.

 

Applicazioni

L’LT6658 fornisce un’alimentazione precisa e silenziosa a svariate applicazioni critiche. Nel mondo del mixed-signal, i data converter sono spesso controllati da microcontrollori o FPGA. La Figura 11 illustra il concetto generale. I sensori forniscono segnali ai circuiti di elaborazione analogica e ai convertitori, che in ogni caso richiedono alimentazioni pulite. Il microcontrollore può avere diverse linee d’alimentazione d’ingresso, comprese quelle analogiche.

Figura 11. Applicazione mixed-signal.

 

Come regola generale, le tensioni rumorose per l’alimentazione digitale del microcontrollore dovrebbero rimanere isolate da quelle, precise e pulite, destinate all’alimentazione analogica e al riferimento. Le due uscite dell’LT6658 forniscono isolamento canale-canale, reiezione d’alimentazione e capacità di erogazione eccellenti, garantendo un’alimentazione pulita a svariati circuiti analogici sensibili al rumore.

L’LT6658 è adatto anche agli ambienti industriali, dato che può funzionare con linee di alimentazione rumorose e nelle situazioni in cui i picchi di carico dovuti alle conversioni, applicati su una delle uscite, hanno poca influenza sull’uscita adiacente. Inoltre, quando un carico chiede corrente su un’uscita, quella adiacente continua a regolare.

Nella Figura 12 viene illustrato un esempio reale, dove l’ADC ad alta Velocità dell’LTC2379-18 funziona con un LT6658.

Il sense d’ingresso Kelvin su VOUT2 è configurato per amplificare i 2,5 V fino alla tensione di riferimento di 4,096 V e per fornire una tensione di modo comune all’amplificatore di ingresso, l’LTC6362. VOUT1 è amplificato fino a 5 V, fornendo alimentazione all’LTC6362 e altri circuiti analogici che richiedono una linea a 5 V. Entrambe le uscite dell’LT6658 raggiungono il punto di carico massimo a 150 mA e 50 mA, rispettivamente, su VOUT1 e VOUT2.

 

Figura 12. Soluzione di acquisizione dati.

I valori di SNR, ENOB e THD di questo circuito dimostrano le prestazioni superiori dell’LT6658, come illustrato nella Tabella 2.

Tabella 2. Parametri relativi all’acquisizione dati del circuito d’esempio della Figura 12

Parametro 16-Bit SAR 18-Bit SAR
SNR 92,7 dB 97,5 dB
SINAD 92,1 dB 95,9 dB
THD −101,2 dB −101,1 dB
SFDR 101,6 dB 103,2 dB
ENOB 15,01 bit 15,64 bit

Il circuito in Figura 13 mostra come l’LT6658 possa alimentare circuiti digitali rumorosi mantenendo una tensione di riferimento accurata e priva di rumore per un ADC di precisione. In questa applicazione, l’LT6658 o un LDO separato alimentano una linea da 3,3 V destinata all’alimentazione rumorosa (VCCIO) di un FPGA e di altra logica eterogenea sul canale, e 5 V all’ingresso di riferimento dell’ADC a 20-bit sull’altro canale.

Figura 13. Esempio di circuito di prova con sezione digitale rumorosa.

 Commutando l’alimentazione digitale tra l’LT6658 e l’LDO, possiamo verificare con quanta efficacia l’LT6658 isoli il rumore digitale presente su un canale rispetto a quello che pilota l’ ingresso di riferimento a basso rumore dell’ADC a 20-bit. Usando una sorgente dc pulita sull’ingresso dell’ADC, si può dedurre livello di rumore come illustrato in Figura 14. L’istogramma non mostra differenze apprezzabili tra i casi in cui l’LT6658 o l’LDO forniscono alimentazione ai pin VCCIO dell’FPGA, dimostrando le caratteristiche robuste di regolazione e isolamento dell’LT6658.

Figura 14. Istogramma dei risultati di prova del circuito illustrato in Figura 13.

 Conclusione

L’LT6658 rappresenta il prossimo passo nell’evoluzione di riferimenti e regolatori. Le prestazioni di precisione e la capacità di fornire una corrente complessiva di 200mA da un singolo package rappresentano un vero spostamento di paradigma per l’alimentazione analogica di precisione. Reiezione di rumore, isolamento canale-canale, tracking e regolazione su carico rendono questo prodotto ideale per le soluzioni di riferimento analogico di precisione e di alimentazione. Con questo nuovo approccio, nelle applicazioni non sarà necessario ricorrere a compromessi tra precisione e potenza.

 A cura di  Michael Anderson

 

 

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