Jeder Nachteil bei der Verwendung einer Ladungspumpe für eine negative Versorgung des Operationsverstärkers

Hintergrund: Ich baue oft Audio-Operationsverstärkerschaltungen für verschiedene Zwecke und bevorzuge für kleine Projekte normalerweise eine einzelne "Wandadapter" -Versorgung. Als Massereferenz verwende ich also entweder ein einfaches Widerstandspaar mit einem Kondensator oder besser einen Ersatz-OP-Verstärker, der als virtuelle Masse konfiguriert ist, um meinen 1/2-V-Punktpunkt zu machen. Aber dann ist da noch das Problem der externen Massereferenzierung. Da es nur eine Versorgung gibt, benötigen alle Ein- und Ausgänge Sperrkondensatoren. Wenn ich den "stärkeren" Operationsverstärker verwende, der für virtuelle Masse entwickelt wurde, kann ich dasLassen Sie diese Masse die Referenz für alle E / A sein, wodurch viele Kondensatoren eliminiert werden. Der Nachteil ist, dass ich, da Masse wirklich 1/2 V beträgt, vergessen kann, die Stromversorgung mit anderen angeschlossenen Geräten zu teilen. Aber vor kurzem habe ich mit dem Gedanken gespielt, eine Ladungspumpe zu verwenden, um eine V-Versorgung zu erzeugen, indem ich ein separates Operationsverstärkerpaket verwende. Typisch so...

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Dies würde es mir dann ermöglichen, eine Seite der Einzelversorgung (in diesem Fall negativ) wieder als Bezugsmasse zu verwenden. In größeren Schaltkreisen mit vielen Ein- und Ausgängen (vielleicht ein Audiomischer) scheint die Verwendung einer eigenständigen Ladungspumpe für meine negative Versorgung den Bedarf an sehr vielen Kondensatoren an allen E / A-Punkten zu beseitigen , und ich könnte die Stromversorgung immer noch mit anderen kleinen Schaltkreisen teilen (vorausgesetzt, sie verwenden ein negatives Erdungsschema).

Meine Frage ist also, gibt es einen großen Nachteil, den ich hier übersehe? Es scheint, dass diese Methode viele Vorteile haben könnte, solange die Schaltungen keine signifikanten Lasten treiben müssen (die an der V-Versorgung ziehen würden). Ich weiß, dass es ein Problem gibt, weil bei der diodenbasierten Ladungspumpe -V nicht genau gleich +V ist. Aber es gibt ICs wie den CMOS-basierten TI LMC7660, der die Ladungspumpenfunktion für mich mit einem genaueren -V-Ausgang und viel weniger Teilen übernimmt. Meinungen?

Ein "virtueller Boden" IST KEIN Mid-Rail-Generator.
Außerdem ist mir aufgefallen, dass Sie meine Antwort auf diese Frage nicht offiziell akzeptiert haben: electronic.stackexchange.com/questions/202570/… - dann ist mir aufgefallen, dass Sie immer nur eine Antwort auf alle Ihre von Ihnen gestellten Fragen akzeptiert haben. Es gibt auch diese Antwort/Frage: electronic.stackexchange.com/questions/135255/… . Es ist ein kleiner Preis, der bezahlt werden soll.
Es gibt einige einigermaßen gute Antworten auf andere Fragen, die Sie gestellt haben und die ebenfalls nicht akzeptiert wurden. Wie ich schon sagte, es ist der kleine "Preis", der für eine gute und kostenlose Beratung gezahlt wird.
Ich verstehe keinen. Ich habe Ihrer Antwort in beiden Fällen "+1" gegeben, und ich mache das immer für mehrere Antworten, wenn ich sie nützlich finde. Ich habe gerade beide von Ihnen erwähnten Beiträge überprüft, und als ich versuchte, die Antwort erneut zu verbessern, meldete das System, dass ich dies bereits getan hatte. Ich schätze immer Ratschläge und versuche anderen zu helfen, wenn ich denke, dass ich etwas zu bieten habe. Wenn ich etwas nicht tue, bin ich mir nicht sicher, was "formell akzeptieren" bedeutet. Vertrauen Sie mir, ich habe nicht vor, auf Zehenspitzen zu treten oder Anerkennung zu verweigern, wo sie fällig ist.
Es ist das Symbol unter den Pfeilen nach oben und unten in der entsprechenden Antwort, auf die ich mich beziehe. Toll, ich bin froh, dass Sie eine gute Einstellung dazu haben. Übrigens müssen Sie es durch Glück geschafft haben, Ihre allererste Frage zu "akzeptieren"!!
Ich sollte auch darauf hinweisen, dass es Antworten auf von mir gestellte Fragen gegeben hat, die sich nach einigen Tests und Recherchen meinerseits als nutzlos erwiesen haben. In einigen Fällen habe ich dann erneut bearbeitet, um eine besser verwendbare Antwort zu bieten, die ich auf meine eigene Frage entdeckt habe. Nochmals, wenn ich hier weniger als maximal hilfreich bin, erklären Sie es bitte (vielleicht sollte es offline gehen?)
Ja, das kann passieren - überprüfen Sie immer den Ruf der Person, die die Antwort gibt, um eine Vorstellung von ihrer Gültigkeit zu bekommen!
@Andyaka - nur um meine Terminologie klarzustellen, falls ich ein OP verwende, um einen starken 1/2-V-GND-Punkt zu erzeugen, UND ... wenn ich denselben 1/2-V-GND-Punkt als GND-Referenz für alle verwende analoge E/A, wird dieser Fall nicht korrekterweise als virtuelle Masse bezeichnet?
Eine virtuelle Masse liegt vor, wenn ein Operationsverstärker eine negative Rückkopplung hat und der invertierende Eingang als virtuelle Masse bezeichnet wird: en.wikipedia.org/wiki/Virtual_ground . Ich habe mehrmals gesehen, dass der Begriff einen Mid-Rail-Generator bedeutet, und ich finde es ärgerlich, LOL !!!
Ich werde versuchen, Andy nicht zu sehr zu nerven ;-), aber ich benutze den Ausdruck schon lange für das, was ich beschrieben habe. Und ... wenn Sie sich einige der Schaltungen auf dieser Seite ansehen (die von dem WIKI-Artikel verlinkt wurden, den Sie unter "virtuelle Erdungsschaltungen" erwähnt haben), werden Sie einige ziemlich nahe Beispiele dafür finden ... tangentsoft.net/ elec/vgrounds.html Tatsächlich ist der sogenannte "VFB Op Amp Based Virtual Ground Driver" genau das, was ich oft mache, obwohl ich normalerweise einen niedrigeren Widerstandswert verwende.

Antworten (5)

Das Erstellen einer negativen Versorgung aus einer positiven ist in Ordnung, aber für Audio möchten Sie möglicherweise einen negativen Linearregler danach verwenden - dies entfernt alle Schaltartefakte, die möglicherweise auf dem Audio zu hören sind. Für einen Operationsverstärker heißt es Stromversorgungsunterdrückung: -

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Dies gilt für den ziemlich guten OP4177 und sagt Ihnen, dass (z. B. bei 10 kHz) die Auswirkung des Rauschens von der negativen Schiene mit etwa 107 dB recht gering ist. Das bedeutet, wenn Sie 10 kHz Welligkeit auf der negativen Versorgung haben, wird dies zu einem Störgeräusch an Ihren Eingängen, das etwa 251.000-mal kleiner ist. Wenn Ihre Schaltung eine geringe Verstärkung aufweist, ist dies natürlich kein merkliches Problem.

Einige Schaltkreise können jedoch eine Welligkeit bei (sagen wir) 1 MHz erzeugen, und obwohl diese Frequenz (auf den ersten Blick) nicht zu hören ist, könnte an den Eingängen ein Signal anliegen, das nur 560-mal niedriger ist. Da es sich um 1 MHz handelt, können Sie feststellen, dass einige Operationsverstärker (aufgrund ihrer Eingangsschaltungen) dies auf das Basisband demodulieren und am Ende ein paar Hintergrundgeräusche und Pfeifen haben.

Hierauf sollten Sie also achten und nichts ist so gut wie ein echter Test.

Hochgeschätzt. Ich war ein wenig besorgt über die Versorgungsunterdrückung dieses kleinen Schaltrauschens bei 10K. Dieser LM7660 wird in vielen Fällen gut sein, in denen ich mit einer Versorgung von +9 V oder besser anfange, obwohl es schön wäre, wenn sie einen kleinen Switcher-Chip wie diesen mit einem eingebauten Oszillator um 20 kHz herstellen würden, nur um das zu regeln Punkt. :-)
Es ist ein bisschen wie ein rutschiger Abhang. Einerseits bedeutet eine ziemlich niedrige Frequenz, dass sie hörbar ist, aber der Operationsverstärker CMRR kann wahrscheinlich damit umgehen. Auf der anderen Seite fällt CMRR mit steigendem f und damit auch die Fähigkeit des Operationsverstärkers, in Gegenwart dessen, was Sie normalerweise als unhörbar erwarten würden, würdevoll zu sein, aber wahrscheinlich aufgrund von Eingangsfehlern im Operationsverstärker erkennbar wäre. Meine beste Vermutung ist 25 kHz für den besten Betriebsbereich. Es gibt jedoch nichts Besseres als einen wirklich guten Operationsverstärker mit vielleicht 10-Ohm-Widerständen in den Stromleitungen.
+1, stimme hier voll und ganz zu. Operationsverstärker verwenden normalerweise den "analogen" Teil der Leiterplatte, und die Einführung eines Schaltnetzteils dort könnte zu Rauschproblemen führen.

Ja, die Verwendung einer Ladungspumpe zur Erzeugung der negativen Versorgung für Operationsverstärker kann eine nützliche Sache sein.

Oft können Sie dafür sorgen, dass Ihre internen Signale positiv sind, und die meisten Dinge mit einer einzigen Versorgung betreiben. Manchmal braucht man nur ein wenig Kopffreiheit unter der Erde. Vielleicht geht der Operationsverstärker, den Sie aus anderen Gründen verwenden möchten, nicht bis zur negativen Versorgung, vielleicht ist ein Eingangssignal klein, aber bodenzentriert oder etwas anderes.

Ich habe in solchen Fällen mehrfach eine Ladungspumpe eingesetzt. Heutzutage hat fast jede Schaltung einen Mikrocontroller, und diese Dinge haben oft Taktausgänge. Anstelle eines separaten Oszillators für die Ladungspumpe verwende ich normalerweise den Taktausgang des Mikros, um ein PNP/NPN-Emitterfolgerpaar anzusteuern, das die Ladungspumpe antreibt. Auf diese Weise erhalten Sie nur etwa ein paar Volt, aber das reicht immer noch aus, um das Headroom-Problem der meisten Opamps zu umgehen.

Ich habe dies getan, wo die Kosten für die beiden Transistoren, Dioden und Kappen zur Herstellung der Ladungspumpe die Verwendung eines viel billigeren Operationsverstärkers wie des LM324 erlaubten. Ungeachtet dessen, was einige Datenblätter behaupten, werden sie schuppig, wenn ihre Eingänge innerhalb eines Diodenabfalls der negativen Versorgung liegen.

Schauen Sie sich als Beispiel den Schaltplan meines USBProg2 PIC-Programmierers an. Unten rechts auf Seite 3 sehen Sie eine Ladungspumpe. Der GP0-Prozessor-Pin wurde nicht anderweitig verwendet, also habe ich ihn der Clock-Out-Funktion zugewiesen. Dies führte zu etwa -2,2 V, was ausreichte, um 0 V gut im richtigen Betriebsbereich der Operationsverstärker zu halten.

Nun, danke Olin. Sie haben wirklich den Hauptpunkt getroffen, der mir helfen sollte, herauszufinden, ob es einige unsichtbare "Fallstricke" gab, an die ich bei dieser Arbeit nicht gedacht hatte. Und obwohl mein Bedürfnis heute nichts damit zu tun hat, hatte ich in letzter Zeit tatsächlich andere Posts für eher eine DC-Situation, in der tatsächlich ein paar negative Volt dazu geführt hätten, dass billigere Operationsverstärker dort funktionierten, wo sie schlecht funktionierten (wie Sie sagten, in der Nähe der negativen Schiene). ). Ich werde dies mit diesem LM7660 oder etwas Ähnlichem versuchen, da es die minimalen Teile zulassen sollte, wenn keine andere Uhr verfügbar ist, und mich ziemlich nahe an -V bringen sollte
@OlinLathrop - Google Safe Browsing scheint Ihre Website mit einer roten Flagge zu markieren.
@Scott: Ja, das weiß ich. Es ist ein falsch positives Ergebnis. Sie führen einen sehr einfachen Musterabgleich durch, und etwas in unseren Low-Level-Bibliotheken stimmt mit einem der Muster überein, nach denen sie suchen. Ich hoffe, sie tun das jemandem an, der groß genug ist, um sich zu wehren, sie wegen Verleumdung oder Verleumdung oder so etwas zu verklagen.

Je nach Operationsverstärkertyp kann der Ausgang im Vergleich zu einer Schaltung, die für hartes Schalten ausgelegt ist, möglicherweise nicht so viel Strom aufnehmen. Es gibt auch einen Abfall in den Dioden und der Impedanz aufgrund der Kondensatoren. Sie können -1 V oder -2 V von einer +5-Versorgung erhalten.

Die Schaltung, die Sie zeigen, wird irgendwo im hörbaren Bereich oszillieren. Wenn Ihr Projekt also Audio enthält, das ein merkliches Jammern im Ausgang verursachen kann, aufgrund von Mängeln bei der Stromversorgungsunterdrückung oder aufgrund der Interaktion zwischen dem von Ihnen gezeigten Operationsverstärker und einem anderen im selben Paket .

Bipolare Versorgungen sind kein Allheilmittel für Verstärker. Wenn Sie alles DC-koppeln, werden die Eingangs-Offsets verstärkt, sodass Sie wahrscheinlich immer noch einige Koppelkondensatoren benötigen.

Die einfachste Lösung ist ein isolierter DC-DC-Wandler (ein Teil), aber wahrscheinlich auch die teuerste.

Vielen Dank. Etwa 1 Teil Konverter, irgendwelche Gedanken zu dem LMC7660, den ich erwähnt habe? Es ist weniger als ein Dollar und verliert nur etwa ein Volt, wenn es mit einer +% V-Versorgung verwendet wird und 20 mA ausgibt. Das sollte für die meisten meiner Apps ausreichen. Übrigens habe ich noch kein Schema gefunden, mit dem ich ohnehin eine Operationsverstärker-Ladungspumpe verwenden könnte, um -V an sich selbst zu liefern, also wäre es immer ein eigenständiges Paket. Aber ja ... Ich denke, ich muss vorsichtig sein, um jede PS-Kopplung dieses Oszillators zu isolieren.
Der LM7660 ist ein wirklich alter Chip - für höhere Versorgungsspannungen ist er in Ordnung. Für +5 gibt es bessere Teile wie den LM2664 , der nur 12 hat Ω typische Ausgangsimpedanz und arbeitet bei vernünftigen und unhörbaren 160 kHz. Ziemlich billig auch - etwa 25 Cent in Menge. Wenn Sie nur einen geringen Strom benötigen und mit einem gewissen Spannungsabfall leben können, können Sie häufig jede alte verfügbare Uhr (mit ausreichend starkem Ausgang), eine Doppeldiode (möglicherweise ein Doppel-Schottky) und ein paar winzige Keramikkappen verwenden.
Wenn Sie nicht ohne Strom leben können (die meisten Audiodaten ziehen ~ 1 mA pro Operationsverstärker bei nur stehender Leistung), können Sie einfach einen DC-DC-Wandler verwenden. Der LT8582 kann einen SEPIC- und einen CUK-Konverter (invertierender Sepic) in einem Paket bereitstellen. Damit könnte man etwa 90x mehr Strom bekommen als mit einer Ladungspumpe.

Wenn Sie eine Ladungspumpe haben, um die negative Schiene herzustellen, gibt es einige Haken. Erstens ist die Ladungspumpe nur wirklich für niedrige Ströme geeignet, was beispielsweise einen Lautsprecherausgang ausschließt. Zweitens ist die Neg-Schiene immer niedriger als die Pos-Schiene, von der sie abgeleitet ist, was je nach Anwendung ein Problem sein kann. Das dritte Problem ist die Stromschienensequenzierung. Beim Einschalten kommt die Neg-Schiene immer nach der Pos-Schiene und beim Ausschalten an Die Neg-Schiene fällt nach der Pos-Schiene. Dieses Powerup-Ding könnte Probleme mit einigen Chips verursachen.

Ich verwende den TC766x oft, um eine negative Schiene für Operationsverstärker zu erstellen. Es funktioniert sehr gut, aber es gibt einige Probleme:

1) Verordnung

Je mehr Strom Sie von der Ladungspumpe ziehen, desto mehr wird die Ausgangsspannung heruntergezogen. Abb. 2-7 aus dem Datenblatt des TC7660S zeigt dies deutlich. Eine einfache Lösung besteht darin, der Ladepumpe einen Regler nachzuschalten. Verwenden Sie entweder eine höhere Eingangsversorgungsspannung mit einem linearen Regler oder einen LDO-Regler.

2) Lärm.

Die meisten Ladungspumpen haben einen Boost-Pin, um die Schaltfrequenz deutlich über den hörbaren Bereich anzuheben, was für Audioanwendungen ziemlich wichtig ist. Einige sind jedoch nicht so vorsichtig. Zum Beispiel könnten Sie vom höheren Ausgangsstrom des 7662A angelockt werden, aber dann feststellen, dass er nicht über 12 kHz ansteigt. D:

Das Schaltrauschen kann auch bei anderen empfindlichen Teilen zu Problemen führen, aus eigener Erfahrung hat es das Tracking von 4046 PLL ziemlich durcheinander gebracht. Dies kann jedoch oft durch sorgfältiges Layout gelöst werden. Als letzter Ausweg könnte eine (normalerweise schlecht beratene) geteilte Masseebene erforderlich sein.

3) Kosten/Platz

Das ist meiner Meinung nach das größte Problem. Die Verwendung von Spannungsvorspannung/Wechselstromkopplung wird immer billiger sein als ein Ladungspumpen-Wechselrichter. Wenn Ihr Manager versucht, bei einem Produkt den letzten Cent zu sparen, wird er Sie wahrscheinlich sehr schlecht sehen, wenn Sie einen Inverter-IC verwenden.

Die Ladepumpe + Regler (und alle PCB-Kühlkörper) nehmen ebenfalls mehr Platz ein. Glücklicherweise gibt es monolithische ICs, die beides enthalten, wenn Sie einige der wirklich kleinen Teile verwenden können. Beispielsweise ist der 5V/200mA LM27762 eine Ladungspumpe mit positivem und negativem Ausgang und integriertem LDO. Das heißt, es hat einen integrierten +/- LDO-Regler in einem einzigen 2 mm x 3 mm großen 12-WSON-Gehäuse!

Jeder Nachteil bei der Verwendung einer Ladungspumpe für eine negative Versorgung des Operationsverstärkers
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