使用两个通用芯片和两个自举程序将 5 V 加倍并反转以生成 ±10 V

出处:维库电子市场网时间:2024-05-08
  模拟电路与数字逻辑的集成通常需要添加一两个额外的电源轨。精密运算放大器出色的 PSRR(通常 >>100 dB)使它们对电源轨变化不那么挑剔。这简化了电源电路并减轻了设计任务,使其变得简单且便宜。

  这是流行的飞电容电荷泵电压转换器主题的变体,它利用运算放大器的容差来实现不太完美的电源调节。它首先加倍然后反转 5V,以生成名义上对称的正负 10V 电压轨,每个电压轨都可以轻松提供数毫安的电流。完整的转换器由两个廉价的通用 20 伏金属栅极 CMOS 三重 SPDT CD4053B 以及八个无源元件组成。图 1显示了该电路。

  图 1 25 kHz 多谐振荡器 (U2b) 为快速电容器开关提供时钟,首先将 5 V 电压加倍至 +10 V(并联 U1a、c 和 U2a、c),然后将其反转至 -10 V(U1b 和 U2b)。
  并联开关 U1c 和 U2c 在 Fpump = 25 kHz 下运行,使“飞翔”电容器 C2 的顶端在接地和 +5 V 之间交替,而 U1a 和 U2a 同步在 +5 V 和 +10 V 之间交替其底端,从而产生倍压电容电荷泵。U1,2 引脚 13 上的终 10V 电源轨与 U1,2 引脚 16 的连接实现了上述个“自举”,开关由此向自身提供 10V 电压。D1 通过初提供 ~+5 V 直到电荷泵接管,从而在加电时开始工作,此时 D1 被反向偏置并断开连接。
  将 U1,2a 和 U1,2c 电荷泵开关加倍可将 +10 V 输出的有效阻抗减半至约 180 Ω。这很重要,因为 +10 V 输出不仅为外部负载供电,还为内部 U1,2b 电压逆变器供电(稍后详细介绍)。另外,这些导通电阻相对较高的金属栅极 CMOS 开关需要尽可能多的帮助。结果是相当僵硬的 +10 V 输出,根据以下表达式,该输出随着负载电流180 mV/mA 下降:
  V+ = 10 V – 180(I+ + I-)
  其中:
  I+ = +10 V 输出负载电流
  I – = -10 V 输出负载电流
  25 kHz 泵时钟由“合并”振荡器提供,该振荡器由正反馈驱动的 U2b 组成。从 U2c 到 C1 以及通过 R1 的负反馈,生成:
  Fpump = (2 log e (2)R1C1) -1
  泵频率会随着组件容差和 10 V 输出的负载而有所不同,但由于时钟频率并不重要,因此对泵性能的任何影响都是微不足道的。

  由此产生的振荡器波形如图2所示。

  图 2 25kHz 多谐振荡器 10Vpp 波形。
  +10 V 反转以产生 -10 V 是通过 U1,2b 在左侧 +10 V 和接地以及右侧接地和 -10 V 之间切换 C4 来处理的。与引脚 7 的连接提供了第二个“引导程序”。D2 将引脚 7 钳位到足够接近接地的位置,以便开关在加电时开始工作,直到电荷泵接管。
  结果是负轨根据以下表达式对负载做出反应:
  V- = -10 V + (430*I- + 180*I+)
  其中:
  I+ = +10 V 输出负载电流

  I – = -10 V 输出负载电流

  图 3以图形方式总结了两个输出电压对负载的依赖性。
  图3四种负载情况下的输出电压: (1) +10 V 输出,+10 V 负载 0 至 10 mA,-10 V 空载;(2) +10 V 输出,+10 V 和 -10 V 均负载 0 至 10 mA;(3) -10 V 输出,-10 V 负载 0 至 10 mA,+10 V 空载;(4) -10 V 输出,+10 V 和 -10 V 负载为 0 至 10 mA。
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