对称多谐振荡器负电源解决方案

在选择缓冲放大器时,需关注各路负电源的来源,原因在于缓冲放大器输出镜像需精确达到真零电压。然而,常见的轨至轨输出运算放大器并不具备此功能,其最大输出仅能实现微弱的毫伏级别,而与之交互的高精度数模转换器(如分辨率为微伏级的dac),对这一数值已近乎饱和。鉴于我的应用实际需求为真正的零输出,因此存在上述的困扰。
于是,我尝试引入一些负电源以扩大零点附近的“footroom”(裕量),并非“headroom”(净空),旨在避免电源过渡区域处理不当。在寻找其他解决方案过程中,我想到利用光电池取代传统电压转换器的方案。由此,便诞生了图一展示的这款电路。尽管此解决方案的输出噪声极低,但其输出功率受到了一定程度的限制。
例如,在r_load=2k且led(欧司朗超亮led)总电流为2*5=10ma的情况下,该光电池的最佳输出超过0.81v,达到了我的使用要求。为此,又设计出了图一所示的后续电路。实用时,对于较为简单的地方低压低噪声负电源应用,可选用以上两种电路。
第二款电路以对称多谐振荡器为基础,相较于运用光电池的方案,它的效率显著提升,但输出噪声有所增长。因此,在部分功耗有限的场景中,此方案更为适用。
图1 实现运算放大器真零输出的第二种电路,该电路基于对称多谐振荡器,与之前的光电池设计思路相比具有更高的效率。
双肖特基屏蔽晶体管 bar43a 发挥了全波整流器作用,其对称特性降低了输出噪声中的多谐振动频率水平。而该电路在保持原有的对称特性外,还增加了一系列防护措施,使之可以承受短路的风险,同时仍保持电流供给。
值得注意的是,几乎所有的现代 npn bjt (双极结型晶体管) 都具备大约 5 - 7v 的低 vebo (反向击穿电压)。这一参数对对称多谐振荡器中的 bjt 尤为关键。若使用 5v 供电电路,建议选配最大 vebo 不低于 6v 的晶体管,如 bc547、2n5551、mps2222a 等。如今,像 2sc3616 (nec) 这类 vebo 电压高达 15v 的器件已逐渐不再流行,因此想要在电路中应对更大电压,就需要选择栅极-源极电压最高可达 20v 的 mosfet。
以下为电路配置详情:r1=r1′=5.6k,r2=r2′=30k,c1=c1′=0.1µf。输出电容的阻抗应当尽量低。此处的频率无法直接套用以知的对称多谐振荡器公式得出准确结果,据测试,该频率大概在 2*0.65=1.3khz左右。
电路运行在+5v时,消耗电流不到1.5ma,可在910ω的负载上产生极为稳定的-0.3v的输出电压。

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