精準(zhǔn)型模擬電路設(shè)計(jì)師常常依靠靜居一角的電壓基準(zhǔn)給其 DAC 和 ADC 轉(zhuǎn)換器供電。這項(xiàng)工作其實(shí)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(lái)只是為了給實(shí)際的電源(即電源轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)輸入)提供一個(gè)干凈、精確和穩(wěn)定的電壓而設(shè)計(jì)。在遵循一些注意事項(xiàng)的情況下，采用電壓基準(zhǔn)通常也能完成供電任務(wù)，因而面對(duì)電流日益攀升的應(yīng)用，設(shè)計(jì)師更加愿意使用電壓基準(zhǔn)進(jìn)行供電。畢竟，如果電壓基準(zhǔn)能夠?yàn)檗D(zhuǎn)換器供電，那為什么不可以給模擬信號(hào)鏈路或其他轉(zhuǎn)換器、還有更多的組件供電呢?

在所有的設(shè)計(jì)過(guò)程中，時(shí)常需要在精準(zhǔn)度和功率之間做出選擇。做出這個(gè)決定的“暴力”型方法是：在需要精確度時(shí)使用電壓基準(zhǔn)，而當(dāng)需要毫瓦級(jí)功率時(shí)則采用穩(wěn)壓器。這種做法除了增加所需電路板空間和成本之外，還必須通過(guò)特定路徑單獨(dú)傳送信號(hào)，即使這些信號(hào)的標(biāo)稱電壓相同也是如此。而且，假如需要一個(gè)高精確度電壓源以提供毫瓦級(jí)功率，那么設(shè)計(jì)師就不得不對(duì)基準(zhǔn)進(jìn)行緩沖。LT6658 提供兩個(gè)低噪聲、高精確度輸出，和一個(gè) 200mA 總輸出電流，以及世界級(jí)的基準(zhǔn)規(guī)格，從而解除了這種兩難困境。

關(guān)于 LT6658 具備基準(zhǔn)性能的低漂移穩(wěn)壓器

LT6658 是一款精準(zhǔn)型低噪聲、低漂移穩(wěn)壓器，其兼具專用基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度指標(biāo)和線性穩(wěn)壓器的供電能力。LT6658 擁有 10ppm/°C 的漂移和 0.05% 的初始準(zhǔn)確度，具有兩個(gè)能夠分別支持 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)，電源電壓調(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。

為了更好地了解 LT6658 的功能特性以及它實(shí)現(xiàn)其性能水平的工作方式，圖 1 示出了一種典型應(yīng)用。LT6658 由一個(gè)帶隙級(jí)、一個(gè)降噪級(jí)和兩個(gè)輸出緩沖器構(gòu)成。帶隙基準(zhǔn)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)輸出緩沖器具有一個(gè)開(kāi)爾文 (Kelvin) 檢測(cè)反饋引腳，以提供最佳的負(fù)載調(diào)整。

圖 1：典型應(yīng)用

降噪級(jí)由一個(gè) 400Ω 電阻器組成，并提供了一個(gè)用于連接外部電容器的引腳。該 RC 網(wǎng)絡(luò)起低通濾波器的作用，可限制帶隙級(jí)噪聲的帶寬。外部電容器可以任意大，從而將噪聲帶寬降至非常低的頻率。

針對(duì)負(fù)載階躍的快速和安靜的響應(yīng)

作為穩(wěn)壓器時(shí)，LT6658 從 VOUT1_F 引腳提供 150mA，并具有卓越的瞬態(tài)響應(yīng)性能。圖 2a 示出了對(duì)于一個(gè)從 10mA 至 11mA 的 1mA 負(fù)載階躍瞬變的響應(yīng);圖 2b 則給出了針對(duì)一個(gè)從 10mA 至 150mA 的 140mA 負(fù)載階躍的瞬態(tài)響應(yīng)。輸出緩沖器的電流供應(yīng)和吸收能力可實(shí)現(xiàn)輸出的快速穩(wěn)定。瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間是很短的，同時(shí)保持了卓越的負(fù)載調(diào)整率。負(fù)載調(diào)整率通常僅為 0.1ppm/mA。在 50mA 最大負(fù)載條件下，第二個(gè)輸出 (VOUT2_F) 具有相似的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 2：負(fù)載階躍響應(yīng)。(a) 1mA 負(fù)載階躍;(b) 140mA 負(fù)載階躍

輸出跟蹤

如果應(yīng)用具有多個(gè)采用不同電壓基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換器，則即使輸出被設(shè)定為不同的電壓，LT6658 的輸出也會(huì)實(shí)現(xiàn)跟蹤，從而確保一致的轉(zhuǎn)換結(jié)果。這是可以做到的，因?yàn)? LT6658 的兩個(gè)輸出是采用一個(gè)公共電壓源驅(qū)動(dòng)的。輸出緩沖器是經(jīng)過(guò)微調(diào)的，可實(shí)現(xiàn)卓越的跟蹤效果和低漂移。當(dāng) VOUT1_F 上的負(fù)載從 0mA 增至 150mA 時(shí)，VOUT2 輸出的變化小于 12ppm，如圖 3 所示。就是說(shuō)：即使在負(fù)載和工作條件不斷變化的情況下，輸出之間的關(guān)系也會(huì)得到很好的保持。

圖 3：通道至通道負(fù)載調(diào)整率 (去除了溫升的影響)

電源抑制和隔離

為便于實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電源抑制和輸出隔離，LT6658 提供了 3 個(gè)電源引腳。VIN 引腳負(fù)責(zé)給帶隙電路供電，而 VIN1 和 VIN2 則分別為 VOUT1 和 VOUT2 供電。最簡(jiǎn)單的方法是將全部 3 個(gè)電源引腳連接在一起，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)，VIN1 電源切換，針對(duì) VOUT2 的 DC 電源電壓調(diào)整率為 0.06ppm/V。

表 1 匯總了當(dāng)每個(gè)電源引腳上的電壓從 5V 變至 36V 時(shí)的電源抑制。VIN 電源的靈敏度最高，在輸出端上引起 1.4ppm/V 的典型變化。電源引腳 VIN1 和 VIN2 幾乎不產(chǎn)生影響。表 1 的 VIN1 和 VIN2 列中的測(cè)量值是在輸出噪聲電平條件下獲得的。

表 1: DC 電源抑制

圖 4 給出了 AC PSRR 的兩個(gè)例子。第一個(gè)例子在 NR 引腳上具有一個(gè) 1µF 電容器，而第二個(gè)例子則在 NR 引腳上布設(shè)了一個(gè) 10µF 電容器。較大的 10µF 電容器將 107dB 抑制擴(kuò)展到 2kHz。

圖 4：電源紋波抑制

圖 5 示出了從 VIN1 至 VOUT2 的 AC 通道至通道電源隔離。這里，當(dāng) CNR = 10μF 時(shí)，通道至通道電源隔離在超過(guò) 100kHz 的頻率條件下大于 70dB。

圖 5：通道至通道 VOUT1 至 VOUT2 隔離

負(fù)載瞬變對(duì)相鄰輸出產(chǎn)生的影響極小。圖 6a 和 6b 示出了通道至通道輸出隔離。一個(gè)輸出在 50mVRMS 上擺動(dòng)，繪制的曲線表示另一個(gè)輸出緩沖器中的變化。

圖 6：通道至通道 VOUT1 至 VOUT2 負(fù)載隔離。通道至通道 VOUT2 至 VOUT1 負(fù)載隔離。

圖 7：(a) 遞歸基準(zhǔn)解決方案 (VOUT1 向 VIN 和 VIN2 供電);(b) 遞歸基準(zhǔn)電路的 AC PSSR

采用圖 7 所示電路可實(shí)現(xiàn)出眾的 AC PSRR 性能指標(biāo)。VOUT1 輸出自舉電源 VIN 和 VIN2，從而產(chǎn)生一個(gè)遞歸基準(zhǔn)。

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減少 LT6658 中的功耗。輸出器件兩端將出現(xiàn)較低的電壓，因而可實(shí)現(xiàn)較低的功耗和較高的效率。

輸出停用引腳 OD 負(fù)責(zé)關(guān)斷輸出緩沖器，并將 VOUT_F 引腳置于高阻抗?fàn)顟B(tài)。這樣做在發(fā)生故障的情況下是很有用處的。例如，負(fù)載可能損壞和短路。外部電路可以檢測(cè)到這種情況，此時(shí)可以將兩個(gè)輸出全部停用。該功能也可以忽略，當(dāng) OD 引腳浮置或連接至高電平時(shí)，一個(gè)弱上拉電流將啟用輸出緩沖器。

LT6658 采用 MSE-16 裸露焊盤(pán)封裝，ѲJA 低至 35°C/W。當(dāng)電源電壓為高時(shí)，電源效率較低，因而在封裝中產(chǎn)生過(guò)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 • 0.2A 的過(guò)量功率。6W 的過(guò)量功率將使內(nèi)部芯片溫度上升至比環(huán)境溫度高 210°C 的危險(xiǎn)水平。為了保護(hù)器件，當(dāng)芯片溫度超過(guò) 165°C 時(shí)，熱保護(hù)電路將停用輸出緩沖器。

噪聲

對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他高精確度應(yīng)用來(lái)說(shuō)，噪聲是一個(gè)重要的考慮因素。通過(guò)在 NR (降噪) 引腳上增設(shè)一個(gè)電容器，低噪聲 LT6658 的噪聲甚至可以變得更低。NR 引腳上的電容器與一個(gè)片內(nèi) 400Ω 電阻器一起，形成一個(gè)低通濾波器。大的電容器降低了濾波器頻率，于是，降低了總的綜合噪聲。圖 8 示出了增大 NR 引腳上的電容器值所產(chǎn)生的效果。當(dāng)采用一個(gè) 10μF 電容器時(shí)，噪聲降至大約為 7nV/√Hz。

圖 8：通過(guò)增大 CNR 以實(shí)現(xiàn)降噪

通過(guò)增大輸出電容器，可進(jìn)一步地降低噪聲。當(dāng) NR 和輸出電容器都增大時(shí)，輸出噪聲可以降低到幾微伏。LT6658 可在采用介于 1μF 和 50μF 之間的輸出電容時(shí)保持穩(wěn)定。如果并聯(lián)放置一個(gè) 1μF 的陶瓷電容器，那么輸出在采用較大的電容時(shí)也可以是穩(wěn)定的。例如，圖 9a 顯示了一個(gè) 1μF 陶瓷電容器與一個(gè) 100μF 聚合鋁電容器相并聯(lián)的電路。這種配置在降低噪聲帶寬的同時(shí)仍然保持穩(wěn)定。圖 9b 示出了針對(duì)不同輸出電容值的噪聲響應(yīng)。在所有三種情況下，都有一個(gè)小的 1µF 陶瓷電容器與一個(gè)較大的電容器相并聯(lián)。

圖 9：通過(guò)增大 C1 以實(shí)現(xiàn)降噪

這種方案的一個(gè)缺陷是噪聲峰值，噪聲峰值會(huì)增加總的綜合噪聲。為了降低噪聲峰值，可以插入一個(gè)與大的輸出電容器相串聯(lián)的 1Ω 電阻器，如圖 10a 所示。輸出電壓噪聲和總的綜合噪聲分別示于圖 10b 和 10c。

圖 10：通過(guò)增設(shè)一個(gè)與 C2 串聯(lián)的 1Ω 電阻器以降低噪聲峰值。

應(yīng)用

LT6658 為諸多要求苛刻的應(yīng)用提供了安靜、精確的功率。在混合信號(hào)領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通常是由微控制器或 FPGA 控制的。圖 11 闡明了一般概念。傳感器給模擬處理電路和轉(zhuǎn)換器提供信號(hào)，所有這些都需要干凈的電源。微控制器可能具有若干個(gè)電源輸入，包括模擬電源。

圖 11：混合信號(hào)應(yīng)用

一般的規(guī)則是，應(yīng)將微控制器的噪聲數(shù)字電源電壓與干凈的精確模擬電源和電壓基準(zhǔn)隔離開(kāi)來(lái)。LT6658 的兩個(gè)輸出提供了卓越的通道至通道隔離、電源抑制和供電電流能力，從而確保了向多個(gè)敏感的模擬電路提供干凈的電源。

另外，由于 LT6658 可以采用含噪聲的電源軌以及在負(fù)載產(chǎn)生毛刺干擾的場(chǎng)合中工作，所以它還非常適合工業(yè)環(huán)境，這是因?yàn)橐粋�(gè)輸出上的轉(zhuǎn)換操作對(duì)于相鄰輸出的影響微乎其微。此外，當(dāng)某個(gè)負(fù)載在一個(gè)輸出上需要電流時(shí)，相鄰的輸出繼續(xù)跟蹤。

圖 12 中給出了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子，這里，利用一個(gè) LT6658 來(lái)運(yùn)作 LTC2379-18 高速 ADC 電路。對(duì) VOUT2 上的開(kāi)爾文檢測(cè)輸入進(jìn)行配置，以將 2.5V 輸出提升至一個(gè) 4.096V 基準(zhǔn)電壓，并給輸入放大器 LTC6362 提供一個(gè)共模電壓。VOUT1被提高至 5V，以向 LTC6362 和其他需要一個(gè) 5V 電源軌的模擬電路供電。LT6658 的兩個(gè)輸出均分別在 VOUT1 和 VOUT2 上具有 150mA 和 50mA 的最大負(fù)載。

圖 12：數(shù)據(jù)采集解決方案

如表 2 所示，該電路的 SNR、ENOB 和 THD 指標(biāo)證實(shí)了 LT6658 所擁有的優(yōu)異性能。

表 2: 取自圖 12 所示的數(shù)據(jù)采集電路實(shí)例。

圖 13 中的電路說(shuō)明了 LT6658 怎樣能夠在給噪聲數(shù)字電路供電的同時(shí)保持一個(gè)用于高精確度 ADC 的安靜、精確的基準(zhǔn)電壓。在該應(yīng)用中，LT6658 或一個(gè)單獨(dú)的 LDO 在一個(gè)通道上給噪聲 FPGA 電源 (VCCIO) 和一些混雜邏輯電路提供一個(gè) 3.3V 電源軌，并在另一個(gè)通道上為 20 位 ADC 的基準(zhǔn)輸入提供 5V 電源軌。

圖 13：噪聲數(shù)字測(cè)試實(shí)例電路

通過(guò)在 LT6658 和 LDO 之間切換數(shù)字電源，我們就能對(duì) LT6658 使一個(gè)通道上的數(shù)字噪聲與驅(qū)動(dòng) 20 位 ADC 之安靜基準(zhǔn)輸入的通道相隔離的效果做出評(píng)估。通過(guò)在 ADC 的輸入端上采用一個(gè)干凈的 DC 電源，可推測(cè)噪聲，如圖 14 所示。如柱狀圖所示，由 LT6658 或 LDO 給 FPGA 的 VCCIO 引腳供電，測(cè)試結(jié)果之間并沒(méi)有顯著的差異，展現(xiàn)了 LT6658 堅(jiān)固的穩(wěn)壓和隔離性能。

圖 14：圖 13 所示電路的柱狀圖測(cè)試結(jié)果

結(jié)論

LT6658 是基準(zhǔn)和穩(wěn)壓器領(lǐng)域發(fā)展的下一步。對(duì)于精準(zhǔn)型模擬電源而言，精準(zhǔn)的性能和從單個(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)整等諸多特點(diǎn)使這款產(chǎn)品成為精準(zhǔn)型模擬基準(zhǔn)和電源解決方案的理想選擇。通過(guò)運(yùn)用這種新方法，應(yīng)用將不必犧牲精度或功耗指標(biāo)。