А так можно?
Вопрос, который особенно часто возникает вначале карьеры, когда ты смотришь на чужую схему. Казалось бы, схемотехника - максимально консервативная область, в которой все решения уже известны. Но не все так однозначно. Предлагаю посмотреть на приемы, которые могут показаться странными, но на деле довольно полезны.
Я постараюсь охватить самые популярные из непопулярных решений. Некоторыми из них я пользовался лично и они отлично работали. Захватим и банальные решения, и максимально не очевидные.
1. RC-фильтр на питании
Наверняка в институте всех учили, что RC-фильтр предназначен для цифровых сигналов, а не для цепей питания. Ведь он приводит к потерям. Однако, когда речь идет о потреблении в районе десяток миллиампер, потери становятся незаметны. RC-фильтр очень удобен тем, что он не создает ненужных резонансов и отлично ограничивает скачки тока. Сложно найти что- то дешевле резистора.
RC-фильтр отлично прижился и в сетевых контроллерах питания. Он помогает контроллеру "стартануть" от сетевого напряжения. Далее питание контроллера происходит со вторичной обмотки.
2. Источник питает сам себя
Похоже на вечный двигатель, но не совсем. Отличный пример - сетевой контроллер на картинке выше. Когда источник питания выходит на режим, он запитывает сам себя.
"Это актуально только для изолированных источников?
- Не только"
Вот пример DC-DC контроллера от TI. После запуска питания 5В, напряжение начинает питать внутренний драйвер контроллера. Использования внешних 5В вместо внутреннего линейного регулятора позволяет уменьшить потери и снизить Rdson транзисторов.
3. Параллельное/последовательное соединение резисторов
Казалось бы, всегда есть резисторы конкретного номинала, зачем соединять их параллельно/последовательно?
Однако типичная ситуация, когда проще (и дешевле) поставить последовательно два резистора меньшего типоразмера, чем один большего. Особенно актуально это для высоковольтных цепей. Например, лучше поставить два 1206(макс. 200В), чем один 2512(макс. 500В).
Параллельное соединение чаще всего связано либо с распределением мощности между несколькими резисторами, либо с уменьшением общей индуктивности (Ltotal=L1||L2). Второй прием особенно актуален для цепей с быстрыми изменениями тока, например, в цепях GaN транзисторов.
4. Параллельное подключение транзисторов
Кто сказал, что вы обязаны использовать только один верхний и один нижний транзистор для источника питания? В схемах источников с большими токами можно часто встретить 2, а то и 3 параллельных полевых транзистора.
- При параллельном включении емкость затворов суммируется. Ваш драйвер должен быть готов к такой нагрузке;
- Соединять полевые транзистора параллельно допустимо только в ключевом режиме. В линейном режиме из - за отрицательного ТКС бОльшую часть тока возьмет на себя один из полевых транзисторов. Биполярные транзисторы допустимо подключать параллельно в любом режиме.
5. Расширение входного диапазона линейного регулятора
Такой прием используют не часто, но если появилось требование к высокому входному напряжению, он бесценен. Подключение дополнительного последовательного транзистора на вход регулятора позволяет значительно сэкономить на микросхеме и отвести часть тепла. На картинке представлены две разные реализации. Обратите внимание, что во втором случае используется полевой транзистор, работающий в режиме истощения.
6. Формирование отрицательного напряжения с помощью ОУ
Довольно нишевой прием, в основном встречается в носимых устройствах на батарейном питании, но тем не менее интересен. С помощью ОУ с достаточной токовой способностью формируется потенциал, который теперь является землей схемы. Т.е. из разности потенциалов 9В вы можете сделать -4.5В, 4.5В; -1В, +8В итд. Главное условие - входная земля должна быть "плавающей", что актуально для батарейных устройств.
7. Транзисторы вместо диодов
Иногда можно встретить использование биполярных (а иногда и полевых) транзисторов в диодном включении. Такие приемы любят в цепях, где важно снизить утечки и достичь минимальной емкости. Хороший пример - трансимпедансный усилитель слабого сигнала.
8. Компенсация "нуля" с помощью "полюса"
В основе этого приема лежит следующая идея: "Если от паразитных параметров невозможно избавиться напрямую, их необходимо скомпенсировать в другой месте". Данная концепция успешно применяется в цепях ОС источников питания, высокоскоростных эквалайзерах. Однако компенсацию можно сделать и для любого другого параметра. Отличный пример - трансимпедансный усилитель с нулем, сформированным CrRf, что приводит к нестабильности фазы на высоких частотах. Компенсация проведена с помощью цепи C2R3(полюса).
9. Снижение входной емкости с помощью буферизации
Очень полезный прием, особенно при использовании длинных кабелей. Основная идея - паразитная емкость формируется между цепям с разным потенциалом. Если буферизировать потенциал входного сигнала и держать защитный экран на том же потенциале, ёмкость будет около нуля. Но, как и всегда, есть нюанс. С большой вероятностью для аналогового сигнала вы захотите еще и экранирование землей, а трехслойный кабель сильно дороже классического коаксиального. Но, как говорится, выбор за вами, все зависит от применения.
Кстати, данный прием используют не только для кабелей, но и для тех же фотодиодов, вот пример схемы TIA:
10. Использование логических элементов в качестве буферов
Очень популярный прием, особенно если в схеме уже присутствует многосекционный логический элемент. Это может быть не только буфер, но и инвертор, в любом случае выходной каскад у стандартной логики одинаковый.
11. Трансляция уровней без специальной микросхемы
Как понизить напряжение, к примеру, с 3.3В до 1.8 без транслятора уровней? Подумали о резистивном делителе? В целом можно использовать и его, особенно если сигнал медленный. Однако есть и другие способы:
- Начнем с банального, можно использовать внешний транзистор или диод, которые будут транслировать сигнал. С помощью транзистора можно как повысить, так и понизить амплитуду. С помощью диода возможно только понизить, еще и внешний резистор требуется.
- Как мы поняли, сигнал вниз можно транслировать с помощью диода. Но ведь внутри всей цифровой логики присутствуют защитные диоды на питание и землю.
В случае если на вход микросхемы с питанием 1.8В подать 3.3В - напряжение будет ограничено защитными диодами. Можно воспользоваться этим свойством, а чтобы защитные диоды не сгорели, добавить последовательный резистор. Предупреждаю, способ довольно спорный, поскольку диоды все равно деградируют, даже с ограниченным током. Его применяют очень редко и в случае жесткой экономии на компонентах.
12. Соединение цифровых выходов для большего тока
Популярный прием, которым я пару раз успешно пользовался. Очень помогает в случае, когда нужен достаточно большой ток, а буфера с таким током/напряжением не существует (либо он нереально дорогой). Удобнее (и безопаснее) использовать микросхему с несколькими буферами в одном корпусе
Заключение
Приемов, подобных описанным в статье, существует гораздо больше. Однако основная идея, которая лежит в их основе - всегда можно придумать удобное и элегантное техническое решение именно под вашу задачу. Схемотехника довольно многогранна, и иногда стоит выходить за рамки устоявшийся решений.