在仅有一条逻辑电平电源轨的系统中，如何通过防止放大器饱和来提高模拟/数字精度，这一难题最近引起了广泛讨论，并激发出了很多的设计创意。其中备受关注的是，用电压逆变器产生负电源轨，使RRIO放大器输出电路保持在零“运行”状态。但经常独出心裁的撰稿人Christopher Paul指出，出于完全相同的原因，精密轨到轨模拟信号也需要类似的正侧扩展。他在“Parsing PWM (DAC) performance: Part 2—Rail-to-rail outputs”这篇文章中提出了几个有趣且创新的电路来实现这一目标。
这里提出的设计实例涉及相同的主题，但在主题上会有所变化。它通过电容式电流泵的瞬时(大约数十微秒)数字关断来调节逆变器输出，而不是泵输出的泵后线性调节。这样可产生非常低的静态空载电流消耗(<50µA)，并实现良好的电流效率(1mA负载电流时约为95%，5mA时约为99%)
图1显示了其工作原理。
图1 直接用电荷泵控制可有效生成和调节双极超轨电压。
施密特触发振荡器U1a为电荷泵驱动器U1b(正轨泵)和U1c(负轨)提供连续的~100kHz的时钟信号。启用后，这些驱动器可通过相应的电容二极管电荷泵和相关滤波器提供高达24mA的输出电流：C4+C5用于正轨，C7+C8用于负轨。信号总振幅输出纹波~10mV。
输出调节由负轨上的U1c的温度补偿分立晶体管比较器Q1:Q2和正轨上的U1b的Q3:Q4的电荷泵控制提供。每个比较器的平均电流消耗约为4µA，这有助于实现前面提到的低功耗数据。比较器电压增益约为40dB=100:1。
比较器设置超轨电压设定点Δs，其与+5V的比率为：
–Δ=-5V*R4/R5(对于负轨)=-250mV(对于所示值)
+Δ=5V*R2/R5(对于正轨)=+250mV(对于所示值)
请注意，Q1:Q2比较器的输出与正确控制U1c所需的逻辑极性相反。上述问题可通过逆变器U1d解决。
(原文刊登于EDN美国版，参考链接：Efficient digitally regulated bipolar voltage rail booster，由Ricardo Xie编译)
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