Analog_System_Lab_Manual_ru

Глава 11

Лабораторное занятие 10

Линейный регулятор с малым падением напряжения

11.1 Цель занятия

Цель занятия – спроектировать линейный регулятор с малым падением напряжения, в

англоязычной транскрипции – Low Dropout regulator (LDO) – используя ОУ общего назначения и изучить характеристики устройства. Мы рассмотрим также микросхему LDO

TLV700xx и исследуем ее характеристики. Мы спроектируем LDO с высокой

энергоэффективностью для использования в различных приложениях.

11.2 Краткие теоретические сведения

Более подробная информация по этому вопросу содержится в [23]. В DC/DC-

преобразователе, который мы изучили в предыдущей работе, ШИМ является источником

шума, поэтому преобразователь не подходит для использования в приложениях, где большой шум недопустим. В LDO (см. рис. 11.1) наряду с ОУ используется PMOS-ключ,

поэтому рассеяние тепла в ОУ минимально. Энергоэффективность LDO определяется

как отношение выходного напряжения ко входному. В случае регулируемого выходного напряжения его величина составит:

(11.1) Vo = Vref (1 + R2/R1)

11.3 Задание на проектирование

Спроектируйте 3-В LDO с входным напряжением в диапазоне: 4–5 В.

11.4 Оформление результатов занятия

1.Проведите моделирование LDO на симуляторе TINA-TI, постройте выходную характеристику, передаточную функцию и определите величину подавления пульсаций.

2.Снимите осциллограммы выходной характеристики, передаточной функции и

пульсаций и сравните с результатами, полученными при моделировании.

3.Определите нагрузочную характеристику. Изменяйте нагрузку и контролируйте изменение выходного напряжения. Найдите значение тока нагрузки, при котором выходное напряжение остается неизменным. При дальнейшем увеличение тока выходное напряжение снижается. Занесите результаты в таблицу 11.1.

4.Определите величину ослабления пульсаций. Приложите к входу пульсирующее напряжение и измерьте величину пульсаций выходного напряжения. Запишите результаты в таблицу 11.3.

5.Измерьте линейную регулировочную характеристику. Изменяйте входное напряжения и контролируйте, как при этом изменяется выходное напряжение, постройте график. Занесите результаты в таблицу 11.2.

6.Вычислите выходной импеданс.

11.5 Выполнение упражнения 10

Проведите описанные выше эксперименты с микросхемой LDO TLV700xx,

выпускаемой компанией Texas Instrument.

Таблица 11.2 Линейная регулировочная характеристика

Таблица 11.3 Ослабление напряжения пульсаций

Приложение А

Приложение А

Микросхемы, используемые в ASLKv2010

Аналоговые микросхемы Texas Instruments, используемые в ASLKv2010

А.1 TL082, операционный усилитель с входным каскадом JFET

А.1.1 Особенности

•Малая потребляемая мощность.

•Широкий диапазон синфазного и дифференциального напряжений.

•Малые входные токи и ток смещения.

•Защита выхода от короткого замыкания.

•Низкие гармонические искажения: 0,003% (типовое значение).

•Высокий входной импеданс – обусловлен входными JFET.

•Отсутствует эффект защелкивания.

•Высокая скорость нарастания сигнала: 13 В/мкс.

•Входное синфазное напряжение вплоть до величины VCC+.

Рис. А.1. TL082 – ОУ с JFET входным каскадом

А.1.2 Приложения

А.1.3 Описания

Tl082 – семейство ОУ с JFET входным каскадом разработано для того, чтобы предложить более широкий выбор применений, нежели спроектированные ранее семейства усилителей. Общая черта всех ОУ нового семейства – хорошо согласованные

высоковольтные JFET и биполярные транзисторы на одном кристалле. К особенностям ОУ отнесем: высокую скорость нарастания сигнала, низкий входной ток и малый ток смещения, малый температурный коэффициент напряжения смещения. Регулировка смещения посредством внешней компенсации доступна в семействе TL08х. Микросхемы с суффиксом «С» в обозначении имеют рабочий температурный диапазон: 0–70°С.

Суффикс «I» означает диапазон рабочих температур –40…85°С. И, наконец, суффикс «Q» присутствует в обозначении микросхем с рабочим температурным диапазоном

–40…125°С.

А.1.4 Техническая документация

Скачать техническую документацию можно по адресу:

http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tl082.pdf

Приложение А

Рис. А.2. MPY634 – аналоговый умножитель

А.2 MPY634: широкополосный аналоговый прецизионный умножитель

А.2.1 Особенности

•Широкая полоса: 10 МГц (типовое значение).

•Максимальная погрешность во всех четырех квадрантах: 0,5%.

•Внутренний широкополосный ОУ.

•Простота в использовании.

•Низкая стоимость.

А.2.2 Приложения

•Прецизионная аналоговая обработка сигнала.

•Модуляция и демодуляция.

•Управляемые напряжением усилители.

•Обработка видеосигнала.

•Управляемые напряжением фильтры и осцилляторы.

А.2.3 Описание

MPY634 – широкополосный аналоговый 4-квадрантный прецизионный умножитель. Его точность достигается посредством лазерной подгонки элементов при изготовлении,

что делает умножитель удобным для применения во многих приложениях, т.к. не

требуются внешние регулировочные элементы. Три дифференциальных входа – X, Y, Z – позволяют конфигурировать умножитель для выполнения умножения, деления, возведения в квадрат, извлечения квадратного корня и выполнения других операций с высокой точностью. Широкая полоса обрабатываемых сигналов позволяет работать в

цепях промежуточной частоты, РЧ-цепях и в тракте видеосигнала. Встроенный ОУ упрощает проектирование по сравнению со случаями, когда используются другие высокочастотные умножители и балансные схемы. Применение MPY634 позволяет спроектировать цепи модуляции и демодуляции с отличным подавлением несущей

частоты. Внутренний прецизионный источник опорного напряжения обеспечивает

точность установки шкалы. Используя дифференциальный вход Z, с помощью внешнего

резистора обратной связи можно выбрать масштабный коэффициент в пределах 0,1–10.

Приложение А

А. 2.4 Техническая документация

Скачать техническую документацию можно по адресу: http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/mpy634.pdf

А.3 DAC 7821: 12-разрядный параллельный умножающий ЦАП

А.3.1 Особенности

•Напряжение питания: 2,5–5,5 В.

•Быстрый параллельный интерфейс – цикл чтения: 17 нс. •Производительность до 20,4 Мвыб/с.

•Полоса сигналов: 10 МГц. •10-В выходной сигнал.

•Расширенный температурный диапазон: –40…125°С. •20-выводной корпус TSSOP.

•12 бит без пропуска кода. •Внутренняя нелинейность (INL): 1МЗР. •4-квандрантное умножение.

•Сброс при провале напряжения питания ниже установленного порога. •Функция чтения кода в обратном направлении.

•Конфигурация выводов соответствует промышленным стандартам.

Рис. А.3. DAC 7821 – цифроаналоговый преобразователь

Приложение А

А.3.2 Приложения

•Портативный инструмент с аккумуляторным питанием. •Генератор сигналов.

•Аналоговая обработка сигналов. •Программируемые усилители и аттенюаторы. •Цифровая калибровка. •Программируемые фильтры и осцилляторы. •Композитные видеосигналы. •Ультразвуковые сигналы.

А.3.3 Описание

DAC 7821 – 12-разрядный КМОП ЦАП с токовым выходом. Широкий диапазон напряжения питания (2,5–5,5 В) позволяет применять микросхему в приложениях с

аккумуляторным питанием. Считывание данных может производиться в обратном направлении. Выбор направления считывания задается через вывод DB. При включении

питания во внутренний регистр записываются нули, и выходное напряжение на выходе

ЦАП также устанавливается равным нулю. Микросхема отличается отличными

характеристиками умножения во всех 4 квадрантах в полосе частот 10 МГц. Внешнее опорное напряжение VREF определяет величину шкалы. Встроенный резистор обратной связи обеспечивает температурную компенсацию и полный размах шкалы выходного напряжения при подключении к выходу ЦАП преобразователя «ток-напряжение». DAC

7821 производится в 20-выводном корпусе TSSOP.

Рис. А.4. DC/GC-контроллер

А. 3.4 Техническая документация

Скачать техническую документацию можно по адресу: http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/dac7821.pdf

Приложение А

А.4 TPS40200

понижающий DC/DC-контроллер с широким диапазоном входных напряжений и

несинхронным выпрямлением

А.4.1 Особенности

•Входное напряжение: 4,5–52 В.

•Выходное напряжение (700 мВ до 90% VIN).

•Выходной ток 200 мА (внутренний PFET).

•Упреждающая компенсация по напряжению.

•Защита от провала напряжения.

•Программно устанавливаемая рабочая частота в диапазоне: 35–500 кГц.

•Защита с повторным срабатыванием от превышения токов.

•Программируемый мягкий старт.

•Источник внутреннего опорного напряжения 700 мВ±1%.

•Внешняя синхронизация.

•Миниатюрные 8-выводные корпуса SOIC (D) и QFN (DRB)

А.4.2 Приложения

•Промышленная автоматика.

•Распределенные системы питания.

•DSL-кабельные модемы.

•Сканнеры.

•Телекоммуникации.

А.4.3 Описание

TPS40200 – понижающий DC/DC-контроллер с несинхронным выпрямлением и

встроенным 200-мА ключом PFET. Входное напряжение достигает 52 В. В схеме

применены энергосберегающие решения – внутренний токовый драйвер отключается, как только полностью открывается внешний FET. Таким образом предотвращаются

внутренние потери. Преобразователь работает в режиме управления по напряжению с

упреждающей компенсацией. Внутренний источник напряжения подстраивается с точностью ±2%. TPS40200 производится в 8-выводном корпусе SOIC и может работать со

многими преобразователями.

А.5 TPS40200EVM-002

TPS40200EVM-002 – оценочный модуль (EVM) для понижающего контроллера

TPS40200 с несинхронным выпрямлением. Резистор обратной связи выбран так, чтобы выходное напряжение составило 3,3 В, выходной ток до 2,5 А, входное напряжение 24 В.

EVM работает от одного источника напряжения, к контроллеру подключены внешний

PFET и диод Шоттки, образуя завершенный экономичный преобразователь. Его рабочая частота составляет 200 кГц и определяется внешними емкостью и резистором. TPS40200EVM-002 предназначен для работы с входным напряжением 18–36 В, при этом выходное напряжение преобразователя составит 3,3 В при токе нагрузки 0,125–2,5 В.

Блок TPS40200EVM-002 иллюстрирует типовое применение контроллера TPS40200.

Выходное напряжение EVM может быть настроено в пределах 0,7–5 В посредством изменения величины резистора обратной связи. В руководстве пользователя приведена таблица со значениями резисторов с разбросом 1% для выбора требуемого выходного напряжения.

Приложение А

Рис. А.5. TLV700XX – линейный регулятор с малым падением напряжения

Блок TPS40200EVM-002 иллюстрирует типовое применение контроллера TPS40200.

Выходное напряжение EVM может быть настроено в пределах 0,7–5 В посредством

изменения величины резистора обратной связи. В руководстве пользователя приведена таблица со значениями резисторов с разбросом 1% для выбора требуемого выходного

напряжения.

А.5.1 Техническая документация

Скачать техническую документацию можно по адресу:

http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps40200.pdf

А.6 TLV700xx – 200-мА линейный регулятор с малым падением напряжения – Low

Dropout Regulator (LDO)

А.6.1 Особенности

•Очень малое падение напряжения.

•43 мВ при IOUT = 50 мА, VOUT = 2,8 В.

•43 мВ при IOUT = 50 мА, VOUT = 2,8 В.

•43 мВ при IOUT = 50 мА, VOUT = 2,8 В.

•Погрешность 2%.

•Малый ток потребления: IQ = 31 мкА.

•Фиксируемые выходные напряжения в диапазоне 0,7–4,8 В.

•Высокий уровень ослабления нестабильности напряжение питания: PSRR=68 дБ при 1 1кГц.

•Стабилен при выходном конденсаторе 1 мкФ.

•Защита от перегрева и от максимального тока.

•Миниатюрные корпуса (1,×1,5 мм) SON-6, SOT23-5 и SC-70.

А.6.2 Приложения

•Беспроводные телефоны.

•Смартфоны, PDA.

•МР3-плееры.

•ZigBee.

•Bluetooth.

•Изделия с питанием от литий-ионных батарей.

•WLAN.

Приложение А

А.6.3 Описание

TLV700xx/TLV701xx – семейство LDO компании Texas Instrument, отличающееся малыми токами потребления и отличными нагрузочными и линейными характеристиками.

Прецизионные внутренние источники опорного напряжения и усилитель ошибки

обеспечивают погрешность не более 2%. Низкий выходной шум, очень хорошее ослабление нестабильности источника питания и малое падение напряжения делают

очень удобным использование LDО в портативных устройствах с аккумуляторным

питанием. Все микросхемы семейства имеют защиту от перегрева и от максимальных токов. Стабильность всех микросхем обеспечивается выходным конденсатором емкостью

0,1 мкФ. Стоимость конденсаторов такой емкости невелика.

A.6.4 TLV70018EVM-503 Evaluation Module

Оценочный модуль TLV70018EVM-503 облегчает освоение микросхемы TLV70018 от компании Texas Instruments.

А.6.5 Техническая документация

Скачать техническую документацию можно по адресу:

http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tlv70012.pdf

Приложение Б

Приложение Б Введение в макромодели

Моделирование – очень полезный этап проектирования электронных устройств. Прежде чем отдавать изделие в производство, необходимо провести программное

симулирование, чтобы верифицировать функциональные возможности и проделать

необходимые измерения. Если система состоит из нескольких блоков: В1, В2…, Вn,

потребуется составить математическое описание каждого из блоков, чтобы оценить поведение всей системы.

Рассмотрим очень простой случай – обычный резистор. Для моделирования резистора в цепи постоянного тока достаточно использовать закон Ома. Но если резистор

используется в цепи переменного тока, то необходимо помнить о его паразитных емкости и индуктивности. Линейная зависимость между напряжением и током резистора может

нарушаться и из-за поверхностного эффекта, и из-за изменения температуры резистора.

Пример иллюстрирует, что компонент может иметь несколько моделей. В зависимости от

условий применения можно использовать упрощенную или полную модель компонента.

Приведем еще один пример: FET-транзистор используется во многих микросхемах и СБИС. В цифровых микросхемах его модель может представлять собой идеальный ключ,

состояние которого зависит от напряжения управления. Такая модель оправдана, если нас интересует только моделирование функциональных возможностей микросхемы. Если же нас интересует быстродействие микросхемы и рассеиваемая мощность, то мы вынуждены учитывать паразитные компоненты транзистора.

Если тот же транзистор используется в аналоговой схеме, нам придется учесть его характеристики, влияющие на точность. В процессе моделирования требуется провести

анализ работы схемы в различных режимах: при постоянном сигнале, при переходных

процессах и в установившемся режиме. SPICE-симулирование позволит пользователю выбрать подходящую модель транзистора. Сегодня доступно много различных моделей FET в зависимости от режимов работы и требуемой точности моделирования. Модель 1 уровня описывает зависимость тока стока от напряжения «затвор–исток» и напряжения «сток-исток». Эти параметры зависят от подвижности носителей заряда, ширины и длины канала и толщины диэлектрика (оксида) затвора. Рассматриваются также неидельность

транзистора, обусловленная модуляцией длины канала. Более сложные модели

транзистора содержат более 50 параметров.

В.1 Микромодели

Если рассматривается ОУ, состоящий из многих транзисторов, то прямой путь

создания микромодели состоит в том, чтобы заменить каждый транзистор его моделью.

Подобный метод будет отличаться точностью моделирования, но приведет к большому

объему вычислений. По мере того как число узлов схемы будет увеличиваться,

потребуется все больше памяти, и время моделирования возрастет. Чтобы сократить время моделирования используют макромодель.

Сегодня в электронике используются много аналоговых компонентов, среди которых

операционные усилители, преобразователи, схемы ФАПЧ, управляемые напряжением генераторы, регуляторы напряжения и многие другие. Цель разработчика не только

спроектировать систему с заданными функциональными характеристиками, но и достичь при этом требуемого качества при минимальной стоимости. Эти параметры зависят от блоков В1, В2…, Вn, входящих в состав системы. Например, если В1 – операционный

усилитель, то возможен выбор из нескольких компонентов. Texas Instruments предлагает большое число операционных усилителей, из которых разработчик может выбрать наиболее подходящий (см. табл. В1). В продуктовой линейке компании более 2000 микросхем ОУ. Чтобы упростить проблему выборы, они разбиты на 17 групп. Тем не

менее, в группе «Стандартные» более 240 микросхем! Как сделать правильный выбор?