引言

精確的模擬電路設(shè)計(jì)師常常依靠靜靜地安居一隅的電壓基準(zhǔn)給 DAC 和 ADC 轉(zhuǎn)換器供電。其實(shí)這已經(jīng)超出了電壓基準(zhǔn)的基本職責(zé)范圍，因?yàn)殡妷夯鶞?zhǔn)本來只為了給轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)輸入提供一個(gè)干凈、精確和穩(wěn)定的電壓。在不違反一些注意事項(xiàng)的情況下，用電壓基準(zhǔn)供電通常也是可行的，這也是應(yīng)對電流日益提高的應(yīng)用時(shí)，人們總是希望采用電壓基準(zhǔn)的原因。畢竟，如果電壓基準(zhǔn)可以給轉(zhuǎn)換器供電，那為什么不能給模擬信號鏈路或其他轉(zhuǎn)換器以及更多的組件供電呢?

很多時(shí)候在設(shè)計(jì)過程中，需要在精確度和功率之間做出抉擇。如果采用比較“暴力”的方法，就在需要高精確度時(shí)使用電壓基準(zhǔn)，需要毫瓦級功率時(shí)使用穩(wěn)壓器。這樣做除了增加所需電路板空間和成本，還必須通過特定路徑單獨(dú)傳送信號，即使這些信號的標(biāo)稱電壓相同。而且，如果需要一個(gè)高精確度電壓源提供毫瓦級功率，那么設(shè)計(jì)師就必須對基準(zhǔn)進(jìn)行緩沖。LT6658 提供兩個(gè)低噪聲、高精確度輸出，總共提供 200mA 輸出電流，還提供世界級的基準(zhǔn)規(guī)格，從而解除了這個(gè)困境。

概述

LT6658 是一款精準(zhǔn)的低噪聲、低漂移穩(wěn)壓器，其兼具基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度指標(biāo)和線性穩(wěn)壓器的性能。LT6658 擁有 10ppm/°C 的漂移和 0.05% 的初始準(zhǔn)確度。在 LT6658 的電源側(cè)上具有兩個(gè)提供 150mA 和 50mA 的輸出，它們各具 20mA 的有源電流吸收能力。為了保持準(zhǔn)確度，負(fù)載調(diào)整率為 0.1ppm/mA。當(dāng)輸入電壓電源引腳連接在一起時(shí)，電壓調(diào)整率通常為 1.4ppm/V;而當(dāng)給輸入引腳提供單獨(dú)的電源時(shí)，電壓調(diào)整率則小于 0.1ppm/V。

為了更好地理解 LT6658 的功能及其工作方式，通過圖 1 給出了一個(gè)典型應(yīng)用。LT6658 由一個(gè)帶隙級、一個(gè)降噪級和兩個(gè)輸出緩沖器組成。帶隙級和兩個(gè)輸出緩沖器單獨(dú)供電，以提供出色的隔離度。每個(gè)輸出緩沖器都有一個(gè)開爾文檢測反饋引腳，以提供最佳負(fù)載調(diào)節(jié)。

圖 1：LT6658 的典型應(yīng)用

降噪級由一個(gè) 400W 電阻器組成，還為連接一個(gè)外部電容器提供了引腳。這個(gè) RC 網(wǎng)絡(luò)起到了低通濾波器的作用，限制了帶隙級噪聲的帶寬。外部電容器可以任意大，以將噪聲帶寬減小到非常低的頻率。

電流供應(yīng)和吸收

作為一個(gè)穩(wěn)壓器，LT6658 從 V_{OUT1_F} 引腳提供 150mA，從 V_{OUT2_F} 引腳提供 50mA，而且這兩個(gè)引腳均吸收 20mA。有源吸收能力有助于獲得卓越的瞬態(tài)響應(yīng)并實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定。瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間是很簡短，同時(shí)保持了超卓的 0.1ppm/mA 負(fù)載調(diào)整率。

輸出跟蹤

如果應(yīng)用有多個(gè)使用不同電壓基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換器，那么即使輸出設(shè)定為不同的電壓，LT6658 的輸出也會(huì)實(shí)現(xiàn)跟蹤，以確保一致的轉(zhuǎn)換結(jié)果。這樣做是可能的，因?yàn)? LT6658 的兩個(gè)輸出是用公共電壓源驅(qū)動(dòng)的。輸出緩沖器進(jìn)行了微調(diào)，可實(shí)現(xiàn)出色的跟蹤效果和低漂移。當(dāng) V_{OUT1_F} 上的負(fù)載從 0 提高到 150mA 時(shí)，V_OUT2 輸出的變化小于 12ppm。也就是說，甚至隨著負(fù)載和工作條件的變化，輸出之間的關(guān)系也能得到很好的保持。

電源抑制和隔離

為了方便實(shí)現(xiàn)出色的電源抑制和輸出隔離，LT6658 提供 3 個(gè)電源引腳。V_IN 引腳給帶隙電路供電，V_IN1 和 V_IN2 分別給 V_OUT1 和 V_OUT2 供電。最簡單的方法是，連接所有 3 個(gè)電源引腳，以提供 1.4ppm/V 的典型 DC 電源抑制。當(dāng)電源引腳單獨(dú)連接時(shí)，V_IN1 電源切換，針對 V_OUT2 的 DC 電壓調(diào)節(jié)是 0.06ppm/V。V_IN 電源靈敏度最高，在輸出上引起 1.4ppm/V 的典型變化。電源引腳 V_IN1 和 V_IN2 幾乎不產(chǎn)生影響。

隔離良好的輸出緩沖器抑制來自相鄰緩沖器的負(fù)載瞬態(tài)，對相鄰輸出產(chǎn)生最小影響。圖 2a 和 2b 說明了通道至通道輸出隔離。一個(gè)輸出在 50mVrms 上擺動(dòng)，所畫曲線表示相鄰緩沖器中的變化。

(圖 2a：V_OUT1 至 V_OUT2)           (圖 2b： V_OUT2 至 V_OUT1)

圖 2：通道至通道負(fù)載隔離

2.5V Channel to Channel Load Isolation V_OUT1 to V_OUT2：2.5V 通道至通道負(fù)載隔離，V_OUT1 至 V_OUT2

V_OUT2 CHANNEL TO CHANNEL ISOLATION：V_OUT2 通道至通道隔離

50mV_RMS Signal On V_OUT1：V_OUT1 上的 50mV_RMS 信號

FREQUENCY：頻率

電源管理和保護(hù)

3 個(gè)電源引腳有助于控制封裝中消耗功率的多少。當(dāng)提供大電流時(shí)，降低電源電壓以最大限度降低 LT6658 中的功耗�？巛敵銎骷�兩端將出現(xiàn)較低的電壓，從而實(shí)現(xiàn)較低的功耗和較高的效率。

輸出禁止引腳 OD 關(guān)斷輸出緩沖器，并將 V_{OUT_F} 引腳置于高阻抗?fàn)顟B(tài)。一旦出現(xiàn)故障情況，這樣做就很有用。例如，負(fù)載可能損壞和短路。外部電路可以檢測到這種情況，這時(shí)兩個(gè)輸出都可以被禁止。這個(gè)功能也可以忽略不理，這時(shí)當(dāng) OD 引腳浮置或連至高電平時(shí)，弱上拉電流將啟動(dòng)輸出緩沖器。

LT6658 采用 MSE-16 裸露焊盤封裝，q_JA 低至 35°C/W。當(dāng)電源電壓為高時(shí)，電源效率將較低，從而導(dǎo)致封裝中產(chǎn)生過多的熱量。例如，在滿負(fù)載時(shí)，一個(gè) 32.5V 的電源電壓將在輸出器件上產(chǎn)生 30V x 0.2A 的過量功率。過量功率的總數(shù)為 6W，這將使內(nèi)部芯片溫度上升至比環(huán)境溫度高 210°C!為了保護(hù)器件，當(dāng)芯片溫度超過 165°C 時(shí)，熱停機(jī)電路將停用輸出緩沖器。

噪聲

就數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他高精確度應(yīng)用而言，噪聲是一個(gè)重要參數(shù)。在 NR (降噪) 引腳上增加一個(gè)電容器，低噪聲 LT6658 的噪聲甚至可以變得更低。在 NR 引腳上的電容器與一個(gè)內(nèi)置 400W 電阻器一起，形成了一個(gè)低通濾波器。大型電容器降低了濾波器頻率，因此降低了總的綜合噪聲。圖 3a 顯示，提高 NR 引腳上的電容器值所產(chǎn)生的效果。采用 10μF 電容器時(shí)，噪聲滾降至大約 7nV/ÖHz。

通過增大輸出電容器，噪聲可以進(jìn)一步降低。當(dāng) NR 和輸出電容器都增大時(shí)，輸出噪聲就可以降至幾微伏。使用 1μF 至 50μF 的輸出電容器，LT6658 是穩(wěn)定的。如果并聯(lián)放置一個(gè) 1μF 的陶瓷電容器，那么輸出用較大的電容也可以穩(wěn)定。例如，圖 3b 顯示了一個(gè) 1μF 陶瓷電容器與一個(gè) 100μF 聚合鋁電容器并聯(lián)的電路。這種配置在降低噪聲帶寬時(shí)仍然保持穩(wěn)定。圖 3c 說明了不同輸出電容值時(shí)的噪聲響應(yīng)。在所有這 3 種情況下，都有一個(gè)小型 1μF 陶瓷電容器與一個(gè)較大的電容器并聯(lián)。

圖 3a                  圖 3b                  圖 3c

圖 3：圖 3a - 通過提高 C_NR 降噪，圖 3b 和 3c - 通過提高輸出電容降噪

OUTPUT VOLTAGE NOISE：輸出電壓噪聲

FREQUENCY：頻率

這種方案的一個(gè)缺點(diǎn)是噪聲峰值，噪聲峰值可能增大總的綜合噪聲。為了降低噪聲峰值，可以插入一個(gè)與大型輸出電容器串聯(lián)的 1W 電阻器，如圖 4a 所示。輸出電壓噪聲和總的綜合噪聲分別如圖 4b 和 4c 所示。

圖 4a                  圖 4b                  圖 4c

圖 4：通過增加一個(gè)與 C₂ 串聯(lián)的 1W 電阻器降低噪聲峰值。圖 4a 是電路，圖 4b 是輸出電壓噪聲，圖 4c 是總的綜合噪聲 (10Hz 至 1MHz)。

OUTPUT VOLTAGE NOISE：輸出電壓噪聲

FREQUENCY：頻率

INTEGRATED NOISE：綜合噪聲

應(yīng)用

LT6658 能夠以很低的噪聲精確地為多種要求苛刻的應(yīng)用提供電源。在混合信號世界中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器常常由微控制器或 FPGA 控制。傳感器為模擬處理電路和轉(zhuǎn)換器提供信號，所有這一切都需要干凈無噪聲的電源。微控制器可以有幾種電源輸入，包括模擬電源。作為一般原則，提供給微控制器的有噪聲數(shù)字電源電壓應(yīng)該與干凈精確的模擬電源和基準(zhǔn)隔離開。LT6658 的兩個(gè)輸出提供出色的通道至通道隔離度、電源抑制和電源電流能力，從而確保為多種敏感的模擬電路提供干凈的電源。

LT6658 還非常適合工業(yè)環(huán)境，能夠用有噪聲電源軌運(yùn)行，而且在一個(gè)輸出上由轉(zhuǎn)換引起的負(fù)載干擾對于在相鄰輸出的影響非常小。此外，當(dāng)負(fù)載在一個(gè)輸出上需要電流時(shí)，相鄰輸出繼續(xù)跟蹤。

圖 5 所示電路說明的是，LT6658 在為有噪聲數(shù)字電路供電的同時(shí)，還保持為高精確度 ADC 提供一個(gè)安靜、精確的基準(zhǔn)電壓。

圖 5a

圖 5b

圖 5：有噪聲數(shù)字測試電路舉例 (5a);測試結(jié)果條形圖 (5b)

Regulator：穩(wěn)壓器

SAMPLES：樣本

ADC COUNTS：ADC 計(jì)數(shù)

在本應(yīng)用中，LT6658 或一個(gè)單獨(dú)的穩(wěn)壓器電源為在一個(gè)通道上驅(qū)動(dòng)一個(gè)有噪聲 FPGA 電源 (VCCIO) 和某種混雜邏輯的 3.3V 電源軌供電，并向另一個(gè)通道上的 20 位 ADC 之基準(zhǔn)輸入提供 5V 電源。通過在 LT6658 和穩(wěn)壓器之間切換數(shù)字電源，我們可對 LT6658 把一個(gè)通道上的數(shù)字噪聲與驅(qū)動(dòng) 20 位 ADC 之安靜基準(zhǔn)輸入的通道相隔離所能達(dá)到的水平進(jìn)行評估。如圖 5b 所示，在 ADC 的輸入端上使用一個(gè)干凈的 DC 電源即可推斷噪聲。無論是由 LT6658 還是由穩(wěn)壓器電源給FPGA 的 VCCIO 引腳供電，直方圖并無明顯的不同，這展示了 LT6658 堅(jiān)固的穩(wěn)壓和隔離性能。

結(jié)論

LT6658 是基準(zhǔn)和穩(wěn)壓器領(lǐng)域發(fā)展的下一步。對于精準(zhǔn)型模擬電源而言，精準(zhǔn)性能和從單個(gè)封裝提供 200mA 組合式電流的能力是一種模式轉(zhuǎn)移。噪聲抑制、通道至通道隔離、跟蹤和負(fù)載調(diào)節(jié)等特點(diǎn)把該產(chǎn)品不偏不倚地置于未來精準(zhǔn)型模擬基準(zhǔn)和電源解決方案的成長道路上。利用這種新方法，應(yīng)用將無須犧牲精度或功耗指標(biāo)。