使用电荷泵作为运算放大器负电源的任何缺点

电器工程 运算放大器 电荷泵 虚地
2022-01-13 20:14:04

背景:我经常为各种目的构建音频运算放大器电路,对于小型项目,通常更喜欢单个“墙壁适配器”电源。因此,对于接地参考,我将使用带有电容器的简单电阻对,或者更好的是,使用配置为虚拟接地的备用运算放大器来制作我的 1/2V 点。但是还有外部接地参考问题。由于只有一个电源,所有输入和输出都需要隔直电容。如果我使用“更强”的运算放大器开发的虚拟接地,我可以让该接地成为所有 I/O 的参考,从而消除大量电容器。不利的一面是,由于接地实际上是 1/2V,这样做意味着我可以忘记与任何其他连接的设备共享电源。但最近我一直在玩弄使用电荷泵创建 V- 电源的想法,使用单独的运算放大器封装。一般是这样的...

在此处输入图像描述

然后,这将允许我再次使用单电源的一侧(在这种情况下为负)作为我的参考地。因此,在有很多输入和输出(可能是音频混音器)的较大电路中,似乎使用独立的电荷泵作为负电源应该消除所有 I/O 点上对大量电容器的需求,并且我仍然可以与其他小电路共享电源(前提是它们使用负接地方案)。

所以我的问题是,我在这里有什么主要的缺点吗?似乎只要电路不需要驱动大量负载(这会拉动 V- 电源),这种方法可能有很多优点。我知道存在一些问题,因为使用基于二极管的电荷泵,-V 不会完全等于 +V。但是有像基于 CMOS 的 TI LMC7660 这样的 IC,它可以为我完成电荷泵功能,具有更准确的 -V 输出和更少的部件。意见?

4个回答

是的,使用电荷泵为运算放大器创建负电源可能是一件有用的事情。

通常,您可以安排您的内部信号是积极的,并从单一电源运行大多数事情。有时您只需要在地下有一点净空。也许您出于其他原因要使用的运算放大器并没有一直到负电源,也许某些输入信号很小但以地为中心,或者其他什么。

在这种情况下,我曾多次使用电荷泵。如今,几乎任何电路中都会有一个微控制器,而这些东西通常都有时钟输出。我通常不使用用于电荷泵的单独振荡器,而是使用微控制器的时钟输出来驱动 PNP/NPN 射极跟随器对,从而驱动电荷泵。这样你只能得到几伏左右的电压,但这仍然足以解决大多数运算放大器的余量问题。

我已经这样做了,其中两个晶体管、二极管和电容器的成本允许使用更便宜的运算放大器,如 LM324,使电荷泵成为可能。尽管一些数据表声称,当它们的输入达到负电源的二极管压降范围内时,它们会变得不稳定。

例如,看一下我的USBProg2 PIC 编程器的原理图。您可以在第 3 页的右下角看到一个电荷泵。GP0 处理器引脚没有另外使用,所以我将它分配给时钟输出功能。这导致大约 -2.2 V,足以将 0 V 保持在运算放大器的正确工作范围内。

从正电源创建负电源是可以的,但对于音频,您可能希望在其后使用负线性稳压器 - 这将消除音频上可能听到的任何开关伪影。对于运算放大器,它被称为电源抑制:-

在此处输入图像描述

这适用于相当好的 OP4177,它告诉您的是(例如在 10kHz 时)来自负轨的噪声影响非常小,约为 107 dB。这意味着,如果负电源上有 10 kHz 纹波,它将成为输入上的干扰噪声,大约小 251,000 倍。显然,如果您的电路增益较低,这不太可能成为一个明显的问题。

然而,一些开关电路会在(比如说)1MHz 时产生纹波,尽管(表面上)听不到这个频率,但输入端的信号可能只低 560 倍。因为它是 1 MHz,所以您会发现一些运算放大器(由于其输入电路)会将其解调到基带,最终会出现一些背景啸叫和哨声。

所以这是你应该警惕的,没有什么比真正的测试更好的了。

与设计为硬开关的电路相比,根据运算放大器类型的不同,输出可能无法提供那么多电流。由于电容器,二极管和阻抗也会下降。您可能会从 +5 电源中获得 -1V 或 -2V 输出。

您展示的电路将在可听范围内的某处振荡,因此,如果您的项目包含的音频可能会导致输出中出现明显的呜呜声,原因是电源抑制缺陷或您展示的运算放大器与同一封装中的另一个运算放大器之间的相互作用.

拥有双极电源并不是放大器的灵丹妙药——如果你对所有东西都进行直流耦合,那么输入偏移就会被放大,所以你可能仍然需要一些耦合电容器。

简单的解决方案是隔离式 DC-DC 转换器(一部分),但它也可能是最昂贵的。

当你有一个电荷泵来制作负轨时,会有一些障碍。首先,电荷泵只适用于低电流,这排除了扬声器输出。其次,负轨将始终低于其派生的 pos 轨,这取决于您的应用程序,这可能是一个问题。第三个问题是电源轨排序,在上电时,neg rail 总是在 pos rail 之后到达并且在断电时neg rail 落在 pos rail 之后。这个加电的东西可能会导致一些芯片出现问题。