探索在醫(yī)學(xué)超聲中的線性穩(wěn)壓器應(yīng)用

1.前言

假設(shè)我們正在研究超聲系統(tǒng)。我們需要一個干凈的 ±100V 電源來為超聲波發(fā)射器供電，因此我們需要一個線性穩(wěn)壓器 (LDO)。你如何解決這個需求？ 

我們可以從半導(dǎo)體制造商處尋找設(shè)備，但獲得可支持如此高電壓的現(xiàn)成電壓調(diào)節(jié)器（正極和負(fù)極）的機(jī)會很少。我們可以創(chuàng)建一個分立的、老式的、基于晶體管的耗散穩(wěn)壓器?；蛘?，我們可以使用現(xiàn)有的現(xiàn)成低壓穩(wěn)壓器，通過采用一種稱為“浮動”的技巧來滿足我們的要求。

浮動已經(jīng)存在很長時間了。浮動穩(wěn)壓器是一種無需真正接地即可工作的穩(wěn)壓器。這是用于調(diào)節(jié)高于穩(wěn)壓器額定值的電壓的技巧。許多應(yīng)用需要傳統(tǒng)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)的電路性能。在這篇文章中，我將介紹一種創(chuàng)新電路，該電路可以為正負(fù)穩(wěn)壓器浮動接地。盡管所示示例適用于穩(wěn)壓器，但這些電路也適用于 TPS7A3501 等電源濾波器。

2.浮動正調(diào)節(jié)器

TI 的 TPS7A4701 是一款 36V 超低噪聲 (4μV RMS ) LDO，能夠提供 1A 負(fù)載并提供正輸出電壓。外部反饋電阻器配置 TPS7A4701 的輸出電壓。

TPS7A4701-EP 是一款正電壓 (36V)、超低噪聲 (4μVRMS) 低壓降線性穩(wěn)壓器 (LDO)，具有 1A 負(fù)載電流灌入能力。

TPS7A4701-EP 輸出電壓可通過用戶可編程的 PCB 布局進(jìn)行配置（高達(dá) 20.5V），也可以使用外部反饋電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)（高達(dá) 34V）。

TPS7A4701-EP 采用雙極技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要用于高精度、高精密儀表 應(yīng)用 ，在這些應(yīng)用中干凈的電壓軌對于最大程度地提高系統(tǒng)性能而言至關(guān)重要。此特性使得該器件非常適合為運(yùn)算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 以及重要 應(yīng)用 （如醫(yī)療、射頻 (RF) 和測試與測量）中的其他高性能模擬電路供電。

要使 TPS7A4701 支持高達(dá) 100V 的輸出電壓，我們可以使用直流放大器將集成電路 (IC) 的接地浮動，如圖 1 所示。通常，任何正穩(wěn)壓器都有一些電流流入 GND 引腳，它在數(shù)據(jù)表中列為 I (GND)。對于 TPS7A4701，當(dāng)輸出電流為 1A 時，I (GND)的典型值為 6.1mA。

圖 1：使用 TINA-TI? 軟件對浮動穩(wěn)壓器接地（正穩(wěn)壓器）進(jìn)行直流放大器仿真

如圖 1 中的仿真所示，LDO I (GND)是來自 GND 引腳的電流。該電流分為兩條路徑：一條通過雙極結(jié)型晶體管 (BJT)，另一條通過電阻分壓器。運(yùn)算放大器 (op amp) U1 在開環(huán)配置中用作積分器，并通過 2.2kΩ 的串聯(lián)電阻驅(qū)動 BJT。12V 電源 V CC為運(yùn)算放大器供電。V CNTRL輸入決定虛擬接地電壓的值，如公式 1 所示：

(1)

圖 1 中顯示的電路與 TPS7A4701 相結(jié)合，在開發(fā)過程中進(jìn)行了高壓操作測試。圖 2 顯示了與控制電壓相關(guān)的傳輸特性（對于圖 1 中的電路）。使用外部控制電壓 V CNTL(P)設(shè)置虛擬接地。

圖 2：輸入電壓為 110V 時正穩(wěn)壓器的傳輸特性

3.浮動負(fù)調(diào)節(jié)器

浮動負(fù)穩(wěn)壓器示例使用 TPS7A3301，這是一款 -36V 超低噪聲（16μV RMS，72dB 電源抑制比 [PSRR]）LDO，能夠吸收 1A 負(fù)載并提供負(fù)輸出電壓。對于 TPS7A3301，當(dāng)輸出電流為 50mA 時，I (GND)被指定為 5mA 典型值。該電流使用 BJT 進(jìn)行轉(zhuǎn)移，如圖 3 所示。

圖 3：使用 TINA-TI? 軟件對浮動穩(wěn)壓器接地（負(fù)穩(wěn)壓器）進(jìn)行直流放大器仿真

兩個運(yùn)算放大器（U1 和 U2）形成一個直流放大器。第一階段將負(fù)輸出電壓轉(zhuǎn)換為正值。第二個運(yùn)算放大器是誤差放大器。系統(tǒng)有一個穩(wěn)定點(diǎn)，負(fù)輸入變?yōu)榈扔诘诙€運(yùn)算放大器的正輸入。如果輸出太負(fù)，則 PNP 晶體管（在第二個運(yùn)算放大器的輸出端）被驅(qū)動到飽和狀態(tài)；這會將虛擬地面移向零。V CNTL輸入通過使用公式 2 來決定輸出電壓的值：

 (2)

如圖 3 所示，第一個運(yùn)算放大器的輸出鎖定在 V CNTL電壓 (= 1V)，并將負(fù)輸出電壓設(shè)置為 -21.32V，將虛擬接地設(shè)置為 -18.02V。

圖 3 中顯示的電路與 TPS7A3301 相結(jié)合，在開發(fā)過程中針對高壓操作進(jìn)行了測試。圖 4 顯示了與控制電壓相關(guān)的傳輸特性（對于圖 3 中的電路）。使用外部控制電壓 V CNTL(N)設(shè)置虛擬接地。

圖 4：輸入電壓為 -110V 時負(fù)穩(wěn)壓器的傳輸特性

用于浮動接地的電路是通用電路。它們使用低壓運(yùn)算放大器和外部晶體管來增強(qiáng)現(xiàn)有低壓穩(wěn)壓器的能力。