Symetryczne napięcie zasilania wzmacniacza operacyjnego

[marek1707]

Dobra, wygląda nieźle. To teraz sprawy drugorzędne:

- Gdy włączysz zasilania, Vcc procesora urośnie do 3V (a nie czasem 3.3V - sprawdziłeś?), napięcie na wyjściu pompy ładunkowej pojedzie w stronę minusów i dzielnik zacznie wysysać prąd z wyjścia DACa. Ponieważ jednak DAC musi być zainicjalizowany i włączony przez program, nie zadzieje się to w chwili zero. W tym stanie dzielnik będzie próbował zrobić minus na pinie DACa i włączy diodę podłożową w strukturze, zabezpieczającą pin. Takie dziwne traktowanie nigdy nie jest dobre dla scalaków więc radzę dać własną diodę (Schottky'ego?) od masy do pinu DACa (anodą na masie rzecz jasna). Podczas normalnej pracy będzie spolaryzowana zaporowo, ale w tych pierwszych chwilach zapewni prąd dzielnika.

- Inwerter na pompie ładunkowej robi swoje wyjście w sposób dość siłowy. Podłącza kondensator raz do wejścia Vcc a raz do kondensatora wyjściowego. Ponieważ nie ma tam po drodze żadnych indukcyjności, prądy płynące w chwilach przełączeń ogranicza tylko rezystancja kluczy MOSFET i ESR kondensatorów. Dlatego koniecznie daj przynajmniej z 10uF ceramiczne na wejściu Vcc pompy a wyjście -5V puść do wzmacniaczy przez jakiś mały dławik i dobrze to odblokuj pojemnością do masy. Wzmacniacze, nawet LM324 mają całkiem niezły PSRR, ale bardzo szybko maleje on ze wzrostem częstotliwości. To oznacza, że o ile wahania poziomów DC zasilań niewiele wpływają na wyjście, o tyle zakłócenia szerokopasmowe przechodzą z linii zasilań na wyjścia wzmacniaczy jak po sznurku.

- Odfiltruj referencję wejściową. Na szynie zasilania procesora jest mnóstwo śmiecia. Zamiast jednego opornika R19 daj dwa szeregowo po 5k1 a między nie wstaw choćby i 1uF.

- Sprawdź impedancję wyjściową (obciążalność) DACa w danych katalogowych procesora. Nie każdy jest buforowany więc może się okazać, że 30k obciążenia dzielnikiem może wprowadzać poważny błąd. W razie czego możesz zwiększyć oporniki dzielnika do np. 100k/200k, bo z kolei wzmacniacz nie obciąża go wcale. Dając od punktu połączenia oporników R14/R15/R18 do masy kondensator robisz sobie za darmo filtr LP a przecież wyjście DACa nie jest sygnałem analogowym. Nie jest to jakieś idealne filtrowanie, ale cokolwiek się tam przyda by na wyjście do kabli nie wypuszczać "schodków".

Czy już zdecydowałeś gdzie będą potencjometry? Naprawdę warto je wstawić zawczasu niż potem utykać je w miejsca przeznaczone dla oporników. Jeśli gdzieś masz np. 10k a nie chcąc wstawiać drogich potencjometrów wieloobrotowych 20k, wstaw np. 9k1 i szeregowo z nim potencjometr 2k. Przecież nie musisz pokrywać całego zakresu zmian, zwykle wystarczy lekkie trymowanie wokół wartości idealnej. Możesz też do istniejącego 10k dać równolegle coś dużego, np. 510k i wtedy potencjometr szeregowy 500R daje już całkiem niezłą precyzję.

[DrSnou]

Dobra, wygląda nieźle.

Długo na to czekałem 😃

Vcc procesora urośnie do 3V (a nie czasem 3.3V - sprawdziłeś?)

Na płycie znajdują się piny Vdd, 3V, 5V oraz GND

schemat wyjścia 3V znalazłem taki:

natomiast czy procesor zasilany jest takim samym napięciem nie znalazłem takiej informacji 100-procentowej. Widzę, że poprzednie wersje miały to napięcie 3.3V ale F4 już korzysta z 3V. Przetwornik ADC i DAC mają zakresy 0..3V więc można się spodziewać że wszędzie będzie to napięcie.

Sprawdź impedancję wyjściową (obciążalność) DACa w danych katalogowych procesora. Nie każdy jest buforowany więc może się okazać, że 30k obciążenia dzielnikiem może wprowadzać poważny błąd.

http://www.st.com/content/ccc/resource/techn...00129215.pdf

Jest opcja włączenia bufora wyjściowego.

Czy już zdecydowałeś gdzie będą potencjometry?

Też uważam, że to dobry pomysł, ale chyba wystarczy po jednym potencjometrze (jeden do obwodu dzielnika ADC) a drugi (do dzielnika obwodu DAC)

[marek1707]

Napisy na płytce można zrobić dowolne, to tylko biała farba. Nazwa stabilizatora na schemacie wskazuje na 3.3V. Gorzej, że dalej zasilanie puszczone jest przez diodę więc nie masz już żadnej pewności co jest na szynie. W tym kontekście napis "3V" to raczej delikatna sugestia. No cóż, pewnie miało być tanio, procesorowi to nie przeszkadza a kto dziś w ogóle robi jakieś układy analogowe... O ile pamiętam, to w rodzinie F4 da się "napędzać" DACa z pinu Vref+. Jeżeli masz taki wyciągnięty z procka na złącze, to może warto zrobić własne Vref=3.0V i nie polegać na amatorskim rozwiązaniu z diodą szeregową?

Potencjometry muszą być tam gdzie masz coś istotnego do regulacji i nie chcesz lub nie możesz robić tego po stronie cyfrowej. Ich obecność nie jest obowiązkowa, chciałem tylko byś to przemyślał. Jeżeli możesz wprowadzić korekty cyfrowe, to zarówno kalibrację wejścia (offset i zakres) jak i wyjścia (to samo) spokojnie zrobisz programowo. Wystarczy, że tak policzysz dzielniki by spodziewane napięcie wejściowe na pewno nie przekraczało zakresu ADC a z kolei na wyjściu zapewnisz, że nawet największa odchyłka wartości oporników i napięć pozwoliła na osiągnięcie oczekiwanych ±3V. Wtedy kalibrujesz we/wy tylko raz (np. w trzech punktach -3.000V, 0.000V i +3.000V), przeliczasz błędy na na poprawki (skala i offset), zapamiętujesz je gdzieś w EEPROMie (lub wpisujesz o zgrozo do kodu) i tyle.

Tu są pełne schematy do F4 (pin Vref+ jest zasilany z VDD czyli przez diodę 😥 ):

http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/user_manual/70/fe/4a/3f/e7/e1/4f/7d/DM00039084.pdf/files/DM00...039084.pdf

[DrSnou]

Jasne, zakresy sobie odpowiednio skalibruje.

O ile pamiętam, to w rodzinie F4 da się "napędzać" DACa z pinu Vref+. Jeżeli masz taki wyciągnięty z procka na złącze, to może warto zrobić własne Vref=3.0V

Z tego co wiem to nie da się wykorzystać swojego napięcia referencyjnego, bo właśnie nie ma takiego wyprowadzenia na pin.

Układ:

Zastosowałem układ LTC1043 jako inwerter napięcia, bo tylko taki miałemw programie, jednak w rzeczywistości użyję LMC7660

Niepokoi mnie fakt, że właśnie ten układ LTC1043 nie działa mi w symulacji, podłączyłem zgodnie z zaleceniami:

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[marek1707]

Jeśli schemat który wrzuciłeś jest własnie wejściem do symulatora, to nic dziwnego. Oczywiście może się zdarzyć, że model jakiegoś scalaka jest spaprany i nie działa, ale na dzień dobry widzę takie kwiaty:

1. Odróżniaj symulator od edytora schematów. Tutaj (w symulatorze) każdy symbol zasilania i masy jest tak naprawdę osobnym źródłem napięciowym. Źródła te w symulatorach są po prostu idealnymi źródłami napięć a drugi koniec mają niejawnie połączony z węzłem 0V, GND. Używając trzech symboli "-5V" umieściłeś w swoim układzie trzy źródła napięcia -5V o nieskończonej wydajności. O ile podłączenie ich do pinów ujemnego zasilania wzmacniaczy jest OK (też mam uwagę), o tyle zwarcie wyjścia pompy przez dławik do źródła napięcia jest bez sensu. Co tu ma działać?

2. Skoro źródła te są nieskończenie sztywne i mają zerowe Rw, to nie ma sensu blokować ich pojemnościami - to nic nie daje (C6). One i tak zawsze dają te swoje napięcie, choćbyś pobrał stamtąd 1000A - dla symulatora to tylko liczba. Mimo zapewnień producentów oprogramowania CAD, że ponoć można posługiwać się tym samym schematem do symulacji i tworzenia PCB, to nie jest prawdą (albo trzeba bardzo dobrze rozumieć różnice i specyfikę - co w sumie i tak sprowadza się do dwóch wersji schematu).

3. Z mojego doświadczenia: warto symulować tylko niewielkie fragmenty, te co do których masz wątpliwości. Jeżeli stosujesz jakiś scalak w jego podstawowej aplikacji to wszystkie parametry wyczytasz z danych katalogowych. Symulacja ma Cię upewnić, że jakiś mały kawałek działa jak się spodziewałeś więc musisz z góry wiedzieć co ma wyjść. To trochę jak uruchamianie i testowanie kodu - gdy puszczasz program nie wiedząc jakie ma dać wyniki, to nie jesteś wstanie ocenić czy działa dobrze czy źle.

4. Żeby poprawnie wyciąć zakłócenia z sygnału (tutaj: zasilania) miałeś utworzyć filtr LC. Kondensator bezpośrednio na wyjściu pompy (C5) jest konieczny do jej działania, ale potem został już tylko sam dławik L1. W rzeczywistym układzie to nawet gorzej niż gdyby go wcale nie było. Przemyśl to.

5. Jeżeli chcesz bawić się w symulacje szczegółów, np. zasilania to musisz urealnić źródła napięciowe. Musisz wprowadzić im np. Rw, czyli każde źródło dostaje swój opornik szeregowy. Jaki? Ha, to jest dobre pytanie. Linia +5V pochodzi pewnie wprost z USB, tam możesz dać z 50mΩ a linię -5V bierzesz przecież z pompy - model Lineara powinien to załatwić. Wtedy powinieneś rozprowadzić taką szynę zasilania do wszystkich jej obciążeń. Dopiero gdy źródło przestaje być idealne zaczynają mieć sens kondensatory blokujące i widzisz wahania napięcia przy zmianach poboru prądu.

6. Co więcej, dławik jaki wstawiłeś w rzeczywistości ma (może mieć) całkiem sporą Rw. Elementy bazowe symulatora (RLC) są idealne a to bardzo wiele zmienia. Jeśli Twój L1 będzie miał powiedzmy 5Ω to masz dodatkowy czynnik zmieniający zasilanie na szynie -5V w zależności od poboru prądu. Za to wrysowując opornik szeregowy z L1 wstawiasz element którego na płytce fizycznie nie będzie. Niektóre symulatory mają wbudowane modele RLC a nawet źródeł takie, że możesz określić właśnie ich Rw (ESR), jakieś pojemności czy indukcyjności pasożytnicze itp. Wtedy schemat ma mieć szansę być podobnym do tego z którego zrobisz fizyczną PCB.

W sumie: zdecyduj się czy rysujesz schemat fizycznego układu z którego za chwilę będziesz projektował płytkę, czy jesteś na etapie symulacji gdzie musisz wstawiać cała masę różnych elementów urealniających układ. I wtedy: po co to robisz? Bo przekonać się o wpływie Rw na pracę źródła możesz w dużo prostszym układzie. To samo z pompą: wystarczy prosty schemacik (osobny do tego projektu) i rezystor w obciążeniu plus przejechanie przez jakiś zakres napięć wejściowych i prądów obciążenia. Moim zdaniem symulatory dają tylko złudzenie budowania układów i panowania nad nimi, a naprawdę dobrze mogą być wykorzystane niestety tylko przez doświadczonych projektantów umiejących tak narysować schemat by za pomocą minimum środków sprawdzić bardzo mały, krytyczny fragment układu i rozumiejących jak bardzo kondensator czy dławik wlutowany w układ różni się od symbolu narysowanego na schemacie. Zakładam, ze jesteśmy już daleko od testowania np. prawa Ohma.

itd.. itp.

[DrSnou]

1. Nie nie, to nie o to chodzi. Na biało są tylko zaznaczone piny. Wyjście LTC1043 oznaczyłem nazwą "-5V" i to doprowadzam do zasilania wzmacniaczy. (takie ukryte połączenie jakby)

Tak samo jest choćby zrobione z "WYJ_DAC_1" w jednym obwodzie napięcie wchodzi do tego wyprowadzenia w drugim wychodzi i idzie dalej na układ.

3. Próbowałem uruchomić sam ten układ inwertera ale też nie działał. No ale nieważne.

Odnośnie tego mam pytanie czy nie lepiej było by zastapić ten układ inwertera napięcia poprzez dołączenie dodatkowego zasilacza +5V plusem do GND płytki a minusem miałbym zasilanie wzmacniaczy ?

5. Spokojnie, ja wykorzystałem symulator ale zdaje sobie sprawę z tego że nie będzie działał prawidłowo a wykorzystuję go tylko w celu rysowania schematu 🙂

[marek1707]

3. Tak, to była propozycja (sprzed kilku dni) izolowanej przetwornicy DCDC. "Zasilacz" który chcesz podłączyć plusem wyjściowym do GND a z jego wyjściowej GND czerpać -5V musi być całkowicie izolowany od swojego wejścia. Inaczej dostaniesz zwarcie (narysuj to sobie). Musiałbyś kupić coś takiego, co ma 4 piny: 2 we i 2 wy z izolacją galwaniczną między nimi:

https://www.tme.eu/pl/details/am1s-0505sz/przetworniki-dcdc/aimtec/

Problem z tymi najtańszymi przetwornicami jest taki, że:

a. mają małą sprawność, rzędu 55-60% i same z siebie, na pusto ciągną dużo prądu,
b. brakuje im stabilizacji wyjścia - na dzień dobry dostajesz ok. 5.5-5.8V i w zależności od tego ile pobierasz prądu tak napięcie spada by utrzymać się w specyfikacji dla pełnej mocy wyjściowej.

Moim zdaniem coś takiego byłoby strzałem z armaty. To już lepiej kupić gotowy moduł inwertera z dławikiem:

https://www.tme.eu/pl/details/amsro1-7805-nz/przetworniki-dcdc/aimtec/

Takie coś nie ma izolacji we/wy, ale jest kanonicznym układem buck włączanym tak sprytnie by swoją masę wyjściową "obniżał" do poziomu napięcia -Vout. Dzięki temu ten sam układ możesz użyć do konwersji +V/+5V jaki +V/-5V:

https://www.tme.eu/pl/Document/f4fec12da86e9ccfd7bf9dec5ab4da03/amsro1-78-nz.pdf

A tak swoją drogą kostka 7660 i jej pochodne to konstrukcje sprawdzone od dziesiątek(?) lat. Nie miej obiekcji. Jeśli tylko nie ma innych powodów dla których nie chcesz jej użyć (niedziałanie w symulatorze, zakłócenia na wyjściu itp), to bierz. Możesz też wziąć megatypowe 555 za 1zł, połączyć go w konfiguracji generatora astabilnego, dodać dwie diody i 2 kondensatory i także masz inwerter/pompę. Jeśli tylko masz model 555 w symulatorze - spróbuj. Jakoś nie chce mi się wierzyć, że coś tak historycznego może być skopane. Schemat aplikacji jako generator znajdziesz w danych katalogowych a pompę korzystającą z wyjścia OUT wymyślisz samemu bez problemu.

Hm, Twoje schematy raz mają dymki z symulacji a raz nie. Czyli rozumiem, że te ostatnie to były raczej CADowskie schematy gotowego urządzenia a nie wsad do symulatora? Tylko wtedy po co rysowałeś te źródła napięć (z DACa np) zamiast jakichś kostek łączących ze światem zewnętrznym? To mnie zmyliło.

Acha, a jak próbowałeś uruchomić inwerter w symulacji? Bo model tego typu scalaków działa tylko w trybie Transient - gdy oglądasz na "oscyloskopie" przebiegi czasowe. To nie jest prosty wzmacniacz operacyjny czy tranzystor, który można policzyć statycznie. Nie pokaże Ci poprawnie np. statycznego Operating Point, bo żeby do niego dojść musiałby wykonać analizę wcześniejszego działania. Spróbuj odpalić symulację w trybie Transient i poczekaj z 50ms. Powinieneś zobaczyć przełączanie kondensatora i narastanie (opadanie?) napięcia wyjściowego a potem jego glitche w warunkach ustalonych przy jakimś obciążeniu wyjścia sensownym rezystorem.

[DrSnou]

Faktycznie lepiej nie kombinować. Wezmę układ LMC7660. Podłącze go najpierw samego i sprawdzę jak to wygląda.

Dymki to tylko woltomierze, które czasami umieszczam, żeby pokazać w charakterystycznych miejscach jakie ma być napięcie. Przy większym schemacie usunąłem żeby nie zaciemniać no i nie kieruję się wynikami symulatora przy bardziej rozbudowanym układzie

[ Dodano: 30-01-2018, 12:13 ]

Stosuje go do zbudowania schematu rzeczywistego układu

[ Dodano: 30-01-2018, 12:19 ]

Schemat uzupełniony o kondensatory oraz zachowanie rezystancji wypadkowych "widzianych" ze strony wzmacniaczy, powinny być dla małych sygnałów sterujących, w przybliżeniu równe dla obu wejść: odwracającego i nieodwracającego. ( dodane R4 i R10 )

[marek1707]

No, to już ma ręce i nogi 🙂 Tradycyjnie parę sugestii:

1. C8 powinien chyba stać na masie.

2. Jak rozumiem zdecydowałeś się jedynie na korekcję zera, OK.

3. Nie zapomnij o pojemności bezpośrednio na wyjściu pompy. Tutaj mamy tylko 2x1uF za dławikiem (wystarczy jeden bo układ jest mały a kostka LM324 jest jedna i ma jeden pin V-), ale zapewne inwerter ma kondensator kilka uF na swoim schemacie, prawda?

4. Jeżeli C3 jest elektrolitem to powinien być odwrotnie: on widzi plus na masie.

5. R7 bym wywalił. Jak już chcesz być bardzo dokładny, to daj R10 = 6.8k chyba, że robisz R7||R10 celowo bo tylko takie wartości masz w szufladzie.

6. Ten sam zabieg co na wyjściu pompy (filtr LC) zrobiłbym na +5V. Jeżeli faktycznie dostaniesz to wprost z USB płytki Discovery, to "w pakiecie" otrzymasz cały syf z komputera. Obejrzyj to na oscyloskopie w paśmie nawet do 20MHz.

[DrSnou]

Schemat wygląda tak:

Jeśli ICL7660 bedzie dawał obniżone napięcie np 4.7V to może warto też obniżyć napięcie dodatnie np diodą ?

[marek1707]

Nie, lepiej zostawić wzmacniaczom jak największy margines. Przecież to nie musi być symetryczne a 324 "umieją" całkiem dobrze od strony V- (tak na wejściu jak i na wyjściu - zostały zaprojektowane do pracy z niesymetrycznym a nawet tylko dodatnim zasilaniem), za to cierpią na problem napięć bliskich V+. Tak więc zostaw im od góry jak najwięcej.

Skoro potrzebujesz tylko dwa wzmacniacze, to może LM258? To praktycznie to samo, ale w mniejszej obudowie i nie musisz karmić prądem dwóch zbędnych klocków.

Widzę, że dioda zmalała. Tamta raziła wielkością, dobrze że to zauważyłeś, ja zapomniałem 🙂

Wstawiając filtry LC czy RC zawsze zastanawiaj się z czym walczysz i jakie obciążenia próbujesz odseparować i od czego. Dobre wyniki daje szybka symulacja w głowie pracy fragmentów układu - przynajmniej u mnie to działa. Chodzi mi o to, że kondensator C7 nowego filtra powinien być znacznie większy. To on będzie w całości (dzięki dławikowi nieprzepuszczającemu impulsów) napędzał pompę, a ta co cykl podłącza do swojego wejścia V+ troszkę rozładowany C4. Jeżeli pojemność 1uF obciążysz pojemnością 10uF to ta w całości pochłonie ładunek tamtej i skok napięcia będzie spory - praktycznie taki ile brakuje w danym cyklu C4 do 5V. Spróbuj "pokonać" pompę siłą - daj jako C7 jakiś dobry (low-ESR) 100uF i do tego równolegle ceramiczny 1uF. Albo jeszcze inaczej: napędzaj pompę bezpośrednio z szyny 5V_USB (i tak jest tam źle, będzie już tylko trochę gorzej, wyposaż tylko 7660 w dobry 10uF na jego V+) a tylko wzmacniaczom zapodaj dodatnie zasilanie przez L2/C7. Wtedy i wilk syty (pompa śmieci w 5V_USB, ale to nam nie przeszkadza) i owca cała (wzmacniacze mają cicho na obu zasilaniach).

Czy Vref_3V dla obwodu wejściowego to będzie to samo które generujesz w U3A? Nie widzę przeciwwskazań - tylko pytam, bo na schemacie są rozdzielone.

A skoro już jesteśmy przy wejściu: co będzie źródłem sygnału dla dzielnika R1/R2? Chodzi mi o to, że wejście takie jak to dobrze współpracuje ze źródłem sygnału DC o niewielkiej impedancji wyjściowej, np. z wyjściem jakiegoś poprzedniego wzmacniacza. Słabo będzie gdy ktoś spróbuje podłączyć tam coś pasywnego a na dodatek przewodzącego prąd stały, np. potencjometr, fotodiodę itp. Czy to może być w przyszłości problem? Jeżeli tak, to wypadałoby buforować wejście tak by impedancja widziana od strony wejścia była duża i na dodatek postawiona na masie. Wtedy trzeba zaprząc trzeci wzmacniacz..

[DrSnou]

Finalna wersja:

Układ sprawdzony, wszystko działa jak zgodnie z założeniami

[marek1707]

L2 jest zbocznikowany drutem, a poza tym.. fajnie gdy coś działa bez programowania FLASHa 🙂