Alguna desventaja de usar una bomba de carga para la alimentación negativa de un op-amp

Question

Antecedentes: A menudo construyo circuitos de amplificadores operacionales de audio para varios propósitos, y para los proyectos pequeños normalmente prefiero una sola fuente de "adaptador de pared". Así que para una referencia de tierra voy a utilizar un simple par de resistencias con un condensador, o mejor, un amplificador OP de repuesto configurado como una tierra virtual, para hacer mi punto de 1/2V. Pero luego está el tema de la referencia de tierra externa. Como sólo hay una alimentación, todas las entradas y salidas necesitan condensadores de bloqueo. Si utilizo el op-amp "más fuerte" desarrollado tierra virtual, yo puede dejar que esa tierra sea la referencia para todas las E/S, eliminando así muchos condensadores. La desventaja es que como la tierra es realmente 1/2V, hacer esto significa que puedo olvidarme de compartir la fuente de alimentación con cualquier otro dispositivo conectado. Pero recientemente he estado jugando con la idea de utilizar una bomba de carga para crear una fuente de V-, utilizando un paquete de amplificadores operacionales por separado. Típicamente así...

Esto me permitiría volver a utilizar un lado de la alimentación única (el negativo en este caso) como mi tierra de referencia. Y así, en un circuito más grande donde hay un montón de entradas y salidas (tal vez un mezclador de audio), parecería que el uso de una bomba de carga independiente para mi suministro negativo debe eliminar la necesidad de una gran cantidad de condensadores en todos los puntos de E / S, y todavía sería capaz de compartir la fuente de alimentación con otros circuitos pequeños (siempre que utilicen un esquema de tierra negativa).

Así que mi pregunta es, ¿hay algún inconveniente importante que me esté perdiendo aquí? Parece que mientras los circuitos no necesiten manejar cargas significativas (que tirarían de la alimentación V-), podría haber muchas ventajas en este método. Sé que hay algún problema porque con la bomba de carga basada en diodos, -V no será exactamente igual a +V. Pero hay circuitos integrados como el TI LMC7660 basado en CMOS que hará la función de bomba de carga para mí con una salida -V más precisa y muchas menos piezas. ¿Opiniones?

Answer 1

Sí, utilizar una bomba de carga para crear la alimentación negativa de los opamps puede ser algo útil.

A menudo puedes hacer que tus señales internas sean positivas y hacer funcionar la mayoría de las cosas desde una sola fuente. A veces necesitas un poco de espacio libre por debajo de tierra. Tal vez el amplificador óptico que quieres usar por otras razones no llega hasta la alimentación negativa, tal vez alguna señal de entrada es pequeña pero centrada en tierra, o alguna otra cosa.

He utilizado una bomba de carga en estos casos varias veces. Hoy en día, casi cualquier circuito tiene un microcontrolador, y estas cosas a menudo tienen salidas de reloj. En lugar de un oscilador separado para la bomba de carga, suelo utilizar la salida de reloj del micro para accionar un par de seguidores de emisor PNP/NPN, que acciona la bomba de carga. Sólo se obtiene un par de voltios más o menos de esta manera, pero sigue siendo suficiente para evitar el problema de espacio libre de la mayoría de los opamps.

He hecho esto cuando el coste de los dos transistores, diodos y tapones para hacer la bomba de carga permitía usar un opamp mucho más barato, como el LM324. A pesar de lo que afirman algunas hojas de datos, se vuelven defectuosos cuando sus entradas se acercan a una gota de diodo de la alimentación negativa.

Como ejemplo, eche un vistazo al esquema de mi USBProg2 Programador PIC. Puedes ver una bomba de carga en la esquina inferior derecha de la página 3. El pin del procesador GP0 no se utilizaba, así que lo asigné a la función de salida de reloj. Esto resultó en alrededor de -2,2 V, que fue suficiente para mantener 0 V bien dentro del rango de funcionamiento adecuado de los opamps.

Answer 2

Crear una alimentación negativa a partir de una positiva está bien, pero para el audio es conveniente utilizar un regulador lineal negativo después de ella - esto eliminará cualquier artefacto de conmutación que pueda escucharse en el audio. Para un op-amp se llama rechazo de la fuente de alimentación: -

Esto es para el OP4177 bastante bueno y lo que te dice es que (digamos a 10kHz) el efecto del ruido del raíl negativo es bastante pequeño, unos 107 dB. Esto significa que si tienes un rizado de 10 kHz en la alimentación negativa, se convertirá en un ruido de interferencia en tus entradas que es unas 251.000 veces menor. Claramente, si tu circuito es de baja ganancia esto no es probable que se convierta en un problema notable.

Sin embargo, algunos circuitos de conmutación pueden generar ondulaciones a (digamos) 1MHz y aunque esta frecuencia no se puede escuchar (a primera vista) podría haber una señal que es sólo 560 veces menor en las entradas. Como está a 1 MHz puedes encontrar que algunos op-amps (debido a sus circuitos de entrada) demodulan esto a banda base y terminas con algunos aullidos y silbidos de fondo.

Así que esto es lo que debes tener en cuenta y no hay nada tan bueno como una prueba real.

Answer 3

Dependiendo del tipo de op-amp la salida puede no ser capaz de toda la corriente en comparación con un circuito que está diseñado para conmutar duro. También hay caída en los diodos y la impedancia debido a los condensadores. Puedes obtener -1V o -2V a partir de una alimentación de +5.

El circuito que muestras oscilará en algún lugar del rango audible, por lo que si tu proyecto incluye audio eso podría causar un quejido notable en la salida, por la imperfección del rechazo de la fuente de alimentación o por la interacción entre el op-amp que muestras y otro en el mismo paquete.

Tener suministros bipolares no es una panacea para los amplificadores: si se acopla todo a la corriente continua, las desviaciones de entrada se amplificarán, por lo que es probable que aún desee algunos condensadores de acoplamiento.

El más fácil solución es un convertidor DC-DC aislado (una parte), pero también es probablemente el más caro.

Answer 4

Cuando se tiene una bomba de carga para hacer el carril negativo hay algunos inconvenientes: en primer lugar, la bomba de carga sólo es adecuada para corrientes bajas, lo que excluye, por ejemplo, la salida de un altavoz. En segundo lugar, el carril negativo siempre será más bajo que el carril positivo del que se deriva, lo que puede ser un problema dependiendo de su aplicación. El tercer problema es la secuencia del carril de alimentación, en el encendido el carril negativo siempre llega después del carril positivo y en el apagado el carril negativo cae después del carril positivo.

Answer 5

A menudo utilizo el TC766x para crear un raíl negativo para los opamps. Funciona muy bien pero hay algunos problemas:

1) Regulación

Cuanta más corriente se extraiga de la bomba de carga, más se reducirá la tensión de salida. La Fig.2-7 de la hoja de datos del TC7660S lo muestra claramente. Una solución simple es seguir la bomba de carga con un regulador. O bien utilizar una mayor tensión de alimentación de entrada con un regulador lineal o utilizar un regulador LDO.

2) Ruido.

La mayoría de las bombas de carga tienen una clavija de refuerzo para elevar la frecuencia de conmutación muy por encima del rango audible, lo cual es bastante esencial para las aplicaciones de audio. Sin embargo, algunas no lo tienen, así que ten cuidado. Por ejemplo, podría ser atraído por la mayor corriente de salida de la 7662A, pero luego descubrir que no aumenta por encima de 12KHz. D:

El ruido de conmutación también puede causar problemas con otras partes sensibles, según mi propia experiencia, realmente estropeó el seguimiento del 4046 PLL. Pero esto a menudo se puede resolver con un diseño cuidadoso. Como último recurso, puede ser necesario un plano de tierra dividido (normalmente desaconsejable).

3) Coste/Espacio

Este es el mayor problema en mi opinión. Utilizar la polarización de voltaje/el acoplamiento de CA siempre va a ser más barato que un inversor de bomba de carga. Si su gerente está tratando de reducir hasta el último centavo de un producto, probablemente verá con malos ojos que utilice un CI inversor.

La bomba de carga + el regulador (y cualquier disipador de PCB) también ocuparán más espacio. Por suerte, hay circuitos integrados monolíticos que incluyen ambas cosas si puedes utilizar algunas de las piezas realmente pequeñas. Por ejemplo, el LM27762 de 5V/200mA es una bomba de carga de salida positiva y negativa con LDO integrado. Es decir, tiene un regulador +/- LDO integrado en un único encapsulado 12-WSON de 2mmx3mm.