Uso della tensione di alimentazione come Vref

E' comune utilizzare per la stabilizzazione della tensione del microcontroller i comuni integrati genere 7805, LM317 e simili. Questa soluzione è economica e semplice, impiegando un numero minimo di componenti.

Questi regolatori lineari, disponibili sul mercato da lungo tempo, sono diventati molto popolari a causa dell' estrema semplicità del loro uso: sono indispensabili solo due condensatori all' ingresso e all' uscita del regolatore, per la sua stabilità e per minimizzare il rumore. Inoltre i package a 3 pin, tipo transistor, ne rendo assai semplice il montaggio e anche il collegamento a dispositivi per dissipare il calore prodotto Questa soluzione è molto comune e ben collaudata ed è ideale per l' alimentazione di molti circuiti a tensione fissa. Inoltre esistono versioni regolabili (LM317) o è possibile regolare l' uscita dei 78xx con l' aggiunta di poche parti.

Una alimentazione da rete comprenderà: un trasformatore di separazione un ponte raddrizzatore un condensatore elettrolitico di filtraggio a cui farà seguito il circuito visto sopra. Da notare che si tratta di regolatori lineari, ovvero che agiscono con un elemento in serie, la cui variazione di resistenza varia la tensione in uscita. Quindi, la stabilizzazione è basata su una dissipazione di energia in calore, per effetto Joule sulla caduta di tensione dell' elemento serie.

Nonostante gli indubbi vantaggi di semplicità e costo, i limiti di questa applicazione, utilizzata come riferimento per il modulo ADC, consistono nel fatto che:

• la stabilità difficilmente è migliore di 20 mV in relazione alle variazioni della tensione di alimentazione o alle fluttuazioni del carico.
• la tensione generata ha una bassa precisione rispetto al valore nominale (4%)
• è presente una variazione in funzione della temperatura, sia dell' ambiente, sia dello stesso regolatore, che è soggetto a riscaldamento dovuto alla dissipazione di potenza sulla caduta di tensione interna, dato che questi componenti richiedono una differenza di tensione tra ingresso e uscita maggiore di 2V, il che, per una corrente di 500 mA produce una dissipazione di 1W e richiede un discreto dissipatore.
• A questo si aggiunge il ripple dovuto al filtraggio, il rumore prodotto dallo stesso regolatore e, sopratutto, dalle correnti impulsive tipiche di un sistema digitale.

Ne deriva che circuiti del genere sono una ottima soluzione per l' alimentazione del microcontroller e delle sue periferiche, ma, usati come tensione di riferimento, difficilmente permette una risoluzione migliore di 6-7 bit. Il che significa che questa sarà la massima risoluzione sensatamente ottenibile da anche se quella propria del modulo ADC è 12 bit.

La diffusione dei vari 78xx e LM317 ha "addormentato" gli utilizzatori, che spesso non sono al corrente di quale è lo stato dell' arte nel campo dei dispositivi lineari di alimentazione.
Infatti può essere più interessante la situazione in cui come regolatore si utilizza uno dei moderni LDO che spesso hanno caratteristiche decisamente migliori dei tre terminali di progettazione più anziana.

Ecco una tabella comparativa:

L' application tipica è analoga a quella di tutti i tre terminali lineari, ma le prestazioni sono decisamente superiori, compresa la necessità di una caduta di tensione sul regolatore minimale (anche 200 mV) che riduce la tensione primaria e la dissipazione di calore.
In aggiunta, questi dispositivi sono disponibili in varie versioni, per tensioni fisse o regolabili e/o con funzioni addizionali, come shutdown, flag di errore, sense.

Per apparecchi alimentati a batteria, anche se problemi di disturbi e ripple di rete sono assenti, la variazione della batteria da completamente carica a scarica è sensibile e va considerata. 
Oltre al fatto che apparecchi portatili saranno soggetti probabilmente a variazioni di temperatura superiori a quelli applicati ad apparecchi fissi. Qui l' applicazione degli LDO è particolarmente favorevole, non richiedendo una elevata differenza di tensione ai capi del regolatore.

Regolatori con una stabilità di meno di 150 ppm ed una precisione dello 0.5%, in un circuito ben implementato, possono fornire un valido riferimento per ADC da 8 o 10 bit. Regolatori con meno di 50 ppm sono adatti anche a sistemi con ADC a 12 bit.

Per avere una idea più precisa, se consideriamo la stabilità del riferimento di tensione uguale o minore della metà del valore di 1 bit della conversione, abbiamo: 

 risoluzione di uno step = Vref / risoluzione

valore di uno step in % = (valore step / Vref) * 100

minima stabilita del riferimento <=  risoluzione di uno step / 2

Per una Vref di 5 V:

Quindi, considerando una conversioni a 10 bit, la stabilità del riferimento dovrà essere migliore di 500 ppm e per 12 bit migliore di 50 ppm.

E' inteso che la qualità dell' alimentazione, anche facendo uso di componenti ad alte prestazioni, non dipende solo dal componente stesso, ma da come esso è inserito nel progetto generale. Ovvero è inutile introdurre stabilizzatori da 50 ppm quando il filtraggio della tensione primaria è insufficiente o il circuito è afflitto da tensioni indotte a causa di una realizzazione scadente o di un isolamento insufficiente.

In ogni caso sarà necessario che ai pin di alimentazione del microcontroller sia posto almeno un condensatore multistrato da 100 nF in parallelo ad un 10 uF, multistrato o tantalio, per ridurre quanto possibile l' impedenza dell' alimentazione e i fenomeni di ripple, che le piste di alimentazione siano adeguate e che il rumore indotto da circuiti esterni sia minimizzato. Inoltre è sempre indispensabile collegare alla Vdd e alla Vss TUTTI i pin del package con queste funzioni. Ad esempio, per i package DIL a 28 pin ci saranno 2 pin di Vss e uno di Vdd e in quelli a 40 pin saranno 2 e 2: tutti vanno collegati alle rispettive linee di alimentazione con piste quanto possibile brevi e sufficientemente larghe per la corrente prevista in assorbimento.

Se però si desidera la massima precisione e/o stabilità della misura occorre considerare una Vref diversa dalla tensione di alimentazione.