Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ultralow Noise Digital Programmable Power Supply


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von Stefan (Gast)


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Hallo und guten Tag,

nachdem hier bereits der Wunsch nach einer "Ultralow Noise Digital 
Programmable Power Supply" gefallen ist:

Beitrag "Messverstärker für Widerstandsrauschen"

möchte ich diesen Thread gerne nutzen, um mögliche Schaltungslösungen 
mit euch zu diskutieren.

Als Basis kann z.B. der erwähnte LT3042 dienen. Doch wie kommt man nun 
von hier aus zu einer digital programmierbaren Spannungsversorgung, 
ähnlich einem PPS5330 mit z.B. folgenden Eckdaten:

- Ausgangsspannung: 0-15V, einstellbar in 1mV Schritten
- Ausgangsstrom: 0 - 1A, einstellbar in 1mA Schritten

Was haltet ihr von dieser Lösung eines digital programmierbaren Potis?

http://www.elektroniknet.de/design-elektronik/halbleiter/digital-fast-ohne-grenzen-101548.html

von Anja (Gast)


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Tja,

wie verhält sich dieses "Poti" wenn parallel zum Reglerausgang der für 
den LT3042 (für den low noise) notwendige Kondensator geschaltet wird?

Ich frage mich gerade ob man dasselbe nicht auch mit einer (negativen) 
Referenz und einem normalen multiplizierenden DAC mit nachgeschaltetem 
LT1010 o.ä. hinbekommt.

Gruß Anja

von Stefan (Gast)


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Anja schrieb:
> Ich frage mich gerade ob man dasselbe nicht auch mit einer (negativen)
> Referenz und einem normalen multiplizierenden DAC mit nachgeschaltetem
> LT1010 o.ä. hinbekommt.

Was meinst du damit? Wieso negative Referenz?
Was ich mir noch vorstellen kann ist ein LM399 und ein DAC wie den 
AD5791 mit einer passenden Leistungsstufe.

von Lurchi (Gast)


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Der LT3042 bietet eine halbwegs exakte, recht schnelle und rauscharme 
Spannungsregelung. Die Interne Referenz ist zwar schon gut im Vergleich 
zu den meisten fertigen Reglern, aber rauscht doch stärker als viele 
extra Spannungsreferenzen. Die Stromregelung dürfte nur eine begrenzte 
Genauigkeit haben und nur ohne einen extra Transistor für mehr Strom 
funktionieren. Auch die Geschwindigkeit der Spannungsregelung wird wohl 
deutlich schlechter, wenn man den Strom durch externe Transistoren 
vergrößert. D.h. wenn man mehr als etwa 200 mA braucht hält sich der 
Nutzen von LT3042 sehr in Grenzen.

Bis 200 mA und nicht so hohen Anforderungen an die Stromreglung wäre der 
LT3042 schon eine gute Wahl, ggf. auch mit externer Referenz und DAC für 
die Spannungseinstellung. Beim Strom werden es ggf. 1 mA Schritte bis 
200 mA.
Wenn man eine externe Referenz nutzt kann man die Spannung über eine 
Spannung am Set Pin einstellen, man braucht für die Spannung also keinen 
einstellbaren Widerstand.

Die Schaltung aus dem Link ist ein Weg einen einstellbaren Widerstand zu 
simulieren. Es hat schon Vorteile gegenüber einen Digital-pot, nur beim 
LT3042 macht dies wenig Sinn: Die Spannung kann man auch über eine 
Spannung einstellen (also ohne den Umweg), und beim Strom ist die 
Genauigkeit so oder so nicht so hoch - da würde eine Digitalpoti als 
variabler Widerstand ausreichen.

Vermutlich wäre für 0-15 V und -1 A dann doch wieder ein eher 
klassischer Aufbau mit Referenz Chip, DACs, OPs und 
Leistungstransistoren die passende Wahl.

von ths (Gast)


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Und davor? Akku?

von Anja (Gast)


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Stefan schrieb:
> Was meinst du damit? Wieso negative Referenz?

Ein multiplizierender Wandler invertiert. (Am Strom-Ausgang ist 0V).
Die Referenz und der Feedback darf üblicherweise auch außerhalb der 
Versorgungspannung sein.
(Beim LTC1599 / LTC1595 bis +/-25V)

> Was ich mir noch vorstellen kann ist ein LM399 und ein DAC wie den
> AD5791 mit einer passenden Leistungsstufe.

Kann der die 15V am Ausgang? -> dann ok.

ths schrieb:
> Und davor? Akku?
Oder einen LT3042?

Gruß Anja

von ZF (Gast)


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Lurchi schrieb:
> D.h. wenn man mehr als etwa 200 mA braucht hält sich der
> Nutzen von LT3042 sehr in Grenzen.

Es gibt inzwischen auch den LT3045 mit 500 mA, wobei man Ptot im Auge 
behalten muss. Neue Bauteile mit Kühlfahne scheinen ja leider nicht auf 
der Agenda der Hersteller zu stehen. Über 500 mA sehe ich nur noch 
eingeschränkten Bedarf für "ultrarauscharm".

Ob der LT3042/LT3045 aber die richtige Basis für die Idee ist bin ich 
mir nicht sicher. Was immer als digitales "Poti" verwendet würde muss 
extrem rauscharm sein, sonst sind alle Vorteile weg. Pluspunkt für 
LT3042/LT3045 ist dank des internen Stromspiegels die genial einfache 
Ausgangsstromermittlung mittels Spannungsmessung über einem Widerstand 
an ILIM nach GND. Strombegrenzung durch einen weiteren R in Serie wäre 
trotzdem noch möglich.

von ths (Gast)


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Kenn das Ding nicht. Trafo - Gleichrichter - Elko - LT 3042 reicht? Kann 
ich kaum glauben.

von ZF (Gast)


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ths schrieb:
> Trafo - Gleichrichter - Elko - LT 3042 reicht?

Kommt drauf an wofür ;-)

Vor einiger Zeit suchte ich mal extrem rauscharme ADC - und war nicht 
erfolgreich. Habe keinen gefunden, der ähnlich gering rauscht wie 
LT3042. ADC + Treiber OP hätte den Vorteil eines Netzteils was beben 
source auch sink kann, dass kann der 3042 nur mit 4mA oder so. Kennt ihr 
einen ADC mit um 2 nV pro Wurzelhertz?

von ZF (Gast)


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DAC natürlich, nicht ADC.

von Anja (Gast)


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ZF schrieb:
> Kennt ihr
> einen ADC mit um 2 nV pro Wurzelhertz?

Da müßte dann der Referenz-Eingang eine Ohmsche Last mit 240 Ohm oder 
weniger sein.
Normal sind das 6-10K. also Mindestens Faktor 6-7 mehr Rauschen.

Gruß Anja

von Gerd E. (robberknight)


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Würde eine Lösung mit gepufferter Referenz, PWM und dahinter dickem 
Filter und Opamp funktionieren?

Schnelle Umschaltgeschwindigkeit bei den Spannungs- und Stromsollwerten 
wird vermutlich nicht gefordert sein.

von Arc N. (arc)


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ZF schrieb:
> ths schrieb:
>> Trafo - Gleichrichter - Elko - LT 3042 reicht?
>
> Kommt drauf an wofür ;-)
>
> Vor einiger Zeit suchte ich mal extrem rauscharme ADC - und war nicht
> erfolgreich. Habe keinen gefunden, der ähnlich gering rauscht wie
> LT3042. ADC + Treiber OP hätte den Vorteil eines Netzteils was beben
> source auch sink kann, dass kann der 3042 nur mit 4mA oder so. Kennt ihr
> einen ADC mit um 2 nV pro Wurzelhertz?

Erstmal kurz was zum Thema: TPS7A47 36V, 1A, 4.17 uVRMS, die negative 
Variante TPS7A33 rauscht allerdings mit etwa 16 uVRMS (jeweils 10 Hz bis 
100 kHz). Hätten den Vorteil, dass die Ausgangsspannung direkt "digital" 
(interne Widerstände. Extern passende Pins auf GND ziehen oder floaten 
lassen), allerdings nur in 100 mV Schritten, einstellbar ist. Nachteil: 
geringeres PSRR als die LTs.

@ADC: Was ist denn da sonst so gefordert? Bandbreite, Stabilität, 
Eingangsspannung, AC, DC etc. pp.
Behandelt man den LT3042 mal als OpAmp und rechnet mal überschlägig 
zurück (kein 1/f-Rauschen etc):
0.8 uVRMS zw. 10 Hz und 100 kHz, VOutRMS = 5V ->
SNR = 20 log(5VRMS/0.8uVRMS) ~ 136 dB
Bits = (SNR - 1.76) / 6.02 ~ 22.3 Bits. Da gibt's schon einige ADCs, je 
nach Anforderungen...

von Michael B. (laberkopp)


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Stefan schrieb:
> Was haltet ihr von dieser Lösung eines digital programmierbaren Potis?

Nichts, die Schaltung ist langsam.

Stefan schrieb:
> - Ausgangsspannung: 0-15V, einstellbar in 1mV Schritten
> - Ausgangsstrom: 0 - 1A, einstellbar in 1mA Schritten

Schau ins Datenblatt des OPA548
Figure 32. Digitally-Controlled Programmable Power Supply Schematic

Die absolute Genauigkeit ist nicht so gut wie von dir gefordert,
der Drift bleibt aber im Rahmen.

von Stefan (Gast)


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Zwei LT3045 geben ja schon 1A Strom... den Baustein kannte ich noch gar 
nicht.
Lediglich die digitale Programmierung fehlt dann noch.

von Lurchi (Gast)


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Den LT3042 kann man auch per Spannung am Set pin programmieren. Die 
interne Referenz liefert 100 µA und erzeugt so mit einen externen 
Widerstand die ref. Spannung. Bei höherer Verlustleistung wird der Chip 
heiß und die interne Referenz ist nicht mehr wirklich präzise. Ggf. noch 
gut für einen integrierten Regler aber deutlich schlechter als eine 
externe Referenz bei Raumtemperatur.
Wenn man statt der internen Referenz eine externe (mit weniger 1/f 
Rauschen) nutzt, kann man auch gleich eine Spannung anlegen.

Man hat aber weiter die Einschränkungen mit begrenztem Strom, begrenzter 
Verlustleistung und der nicht unbedingt so genauen Stromregelung.

Wirklich rauscharm ist beim LT3042 auch nur der Regelverstärker. Um das 
auch nach außen zu bringen wird die Ref. Spannung halt gefiltert. D.h. 
ein externer DAC muss nur Rauscharm sein, wenn man auch schnelle 
Änderungen der Spannung zulassen will. Auch die Referenz setzt dem bei 
niedrigen Frequenzen Grenzen - da hat man in der Regel deutliches 1/f 
rauschen, dass nur schwer zu filtern ist.

Der Aufbau wird also eher in der Form:
Referenz -> ggf. LP Filter -> DAC  -> LP Filter -> Leistungsstufe
sein.
Ob man vor dem DAC noch filtern will, hängt von der Referenz ab.
Einen Teil der Verzögerung des Filters hinter dem DAC könnte man im 
Prinzip durch eine passende Digitale Ansteuerung kompensieren. D.h. ganz 
so schlimm wie das reine analoge Filter wird es mit der Einstellzeit 
nicht. Man kann ggf. auch das Filter umschaltbar machen und so kurz nach 
dem Umschalten der Spannung eine schnellere Reaktion erlauben, auf 
kosten von kurzzeitig höherem Rauschen.

Mit der vom Rauschen her schon nicht so schlechten LM329 als Referenz 
liegt man da bei etwa 70 nV/Sqrt(Hz). Viel besser muss auch der DAC 
nicht sein, wenn das Filter hinter dem DAC ist.

von Pandur S. (jetztnicht)


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Allenfalls waere auch interessant zu wissen, was das Ganze soll.

von Peter D. (peda)


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Sapperlot W. schrieb:
> Allenfalls waere auch interessant zu wissen, was das Ganze soll.

Stimmt.
Ich brauche entweder Leistung, wo wenige 10mV keine Rolle spielen oder 
Referenzen mit max 10mA Strom, aber nie beides zusammen.

von Michael B. (laberkopp)


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Peter D. schrieb:
> Ich brauche entweder Leistung, wo wenige 10mV keine Rolle spielen oder
> Referenzen mit max 10mA Strom, aber nie beides zusammen.

Nun ja, du.

Bist halt nicht der Massstab für Alles.

Für Laser und Magnetspulen kann man schon genauen rauschfreien hohen 
Strom benötigen (und sicher dutzende weitere Anendungen).

von Peter D. (peda)


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Michael B. schrieb:
> Für Laser und Magnetspulen kann man schon genauen rauschfreien hohen
> Strom benötigen (und sicher dutzende weitere Anendungen).

Daher sollte man auch immer den Einsatzzweck nennen.

Z.B. fürs LEEM stellen wir hochgenaue Stromquellen her:
20Bit-DAC, LTZ1000, rauscharme OPA2209, hochstabile Vishay Z-Foil 
Widerstände (0.05ppm/°) und Leistungsendstufe.


Stefan schrieb:
> - Ausgangsspannung: 0-15V, einstellbar in 1mV Schritten
> - Ausgangsstrom: 0 - 1A, einstellbar in 1mA Schritten

Das sind keine ultra besonderen Anforderungen:
2*16Bit-DAC (z.B. DAC8532) und die Standardschaltung mit 2 OPVs über 2 
Dioden verknüpft und Leistungs-FET.

von Stefan (Gast)


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Es geht auch nicht um ultra besonders,sondern um extrem rauscharm. Steht 
sogar im Titel ;)

von Peter D. (peda)


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Stefan schrieb:
> Es geht auch nicht um ultra besonders,sondern um extrem rauscharm.

Ist doch egal, welches Buzzword, solange man keine konkreten Zahlen 
angibt (µV/√Hz).
Mit ultra und extrem kann kein Techniker was anfangen.

: Bearbeitet durch User
von Gerhard H. (ghf)


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Lurchi schrieb:

> Wenn man statt der internen Referenz eine externe (mit weniger 1/f
> Rauschen) nutzt, kann man auch gleich eine Spannung anlegen.
...
> Wirklich rauscharm ist beim LT3042 auch nur der Regelverstärker. Um das
> auch nach außen zu bringen wird die Ref. Spannung halt gefiltert. D.h.
> ein externer DAC muss nur Rauscharm sein, wenn man auch schnelle
> Änderungen der Spannung zulassen will. Auch die Referenz setzt dem bei
> niedrigen Frequenzen Grenzen - da hat man in der Regel deutliches 1/f
> rauschen, dass nur schwer zu filtern ist.
...
> Mit der vom Rauschen her schon nicht so schlechten LM329 als Referenz
> liegt man da bei etwa 70 nV/Sqrt(Hz). Viel besser muss auch der DAC
> nicht sein, wenn das Filter hinter dem DAC ist.

Fragt sich nur, wo man die ultrarauscharme Referenz hernehmen will.
Der LM329 ist es jedenfalls nicht. Ich habe ihn auch gemessen und er
war dermaßen schlecht, dass ich ihn als Fake eingestuft habe, obwohl
bei DigiKey gekauft. Wesentlich schlechter als das Datenblatt und eher
wie eine billige Bandgap. Bis zur endgültigen Klärung habe ich seine
Messung erstmal zurückgehalten. (TI mit National-Logo, die sollten
vor einem guten Jahr wohl schon abverkauft gewesen sein.)

Die LT6655 ist in der Liga der Zener-Referenzen, obwohl bandgap;
und ich frage mich, wie die das hinbekommen haben. Trotzdem muss
man beträchtlichen Puffer- und Filteraufwand treiben, bis sie in
puncto Rauschen das abliefert, was der LT3042 als ganzer Regler
kann. Ob nach dem Filter die Absolutgenauigkeit noch stimmt,
ist natürlich eine andere Frage.

< 
https://www.flickr.com/photos/137684711@N07/28423518000/in/album-72157662535945536/ 
>

Wie im anderen thread: 0 dB = 1nV/rt Hz, 20 dB = 10 nV/rt Hz etc.

: Bearbeitet durch User
von Lurchi (Gast)


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Der LT3042 erreicht das niedrige Rauschen auch nur bei höheren 
Frequenzen und mit Filterung der Referenz mit dem Kondensator am 
Widerstand, der die Spannung einstellt. Ohne ist das Rauschen eher mäßig 
(etwa 10 mal über dem was im Datenblatt für einen LM329 versprochen 
wird).

Es gibt sicher rauschärmere Referenzen als die LM329 nur die im LT3042 
gehört definitiv nicht dazu.

Vom Rauschen sind Bandgap Referenzen nicht so viel schlechter als die 
meisten Zener-Referenzen, sofern man gleich Leistung vergleicht, und 
nicht unbedingt den gleichen Strom.

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