Простая RC цепь снижает шум линейного стабилизатора

20 мая 2014
Шум крайне важен при разработке высококачественных аналоговых электронных схем, особенно схем быстродействующего тактирования, аналого-цифрового преобразования, цифро-аналогового преобразования, генераторов, управляемых напряжением (ГУН), и систем с ФАПЧ.

Линейные стабилизаторы (ЛС) напряжения могут использоваться для питания этих схем. Ключом к снижению выходного шума стабилизаторов является ограничение величины усиления шума до значения близкого к единичному.
Рисунок ниже, показывает упрощённую структуру типичного ЛС с регулируемым выходом. Выходное напряжение (VOUT)- продукт напряжения опорного источника и усиления по постоянному току усилителя ошибки с замкнутой петлей обратной связи: VOUT = VR × (1+R1/R2), где (1+R1/R2) ‑ усиление по постоянному току с замкнутой цепью обратной связи. При этом, усиление шума равно усилению по пост току.
Линейный стабилизатор, в котором точка обратной связи доступна, позволяет снизить общий выходной шум путем снижения усиления шума.
Рисунок. Источники шума в упрощенной блок схеме ЛС с регулируемым выходом.
Добавление простой RC цепи снижает выходной шум ЛС, одновременно улучшая подавление влияния источника питания и отклика ЛС на изменяющуюся нагрузку. Цепь, состоящая из R3 и C1, ограничивает усиление по переменному току усилителя ошибки. Для уверенности в стабильности, в случае если регулятор обладает низким запасом по фазе или не стабильностью на частоте единичного усиления, выберите R3 таким, чтобы установить усиление на высокой частоте близким к 1,1. Для снижения шума вида 1/f выберите C1 для установки нижней частоты «нуля» ниже, чем 10 Гц. С цепью, снижающей шум, усиление по переменному току близко к единице в большей части полосы частот, в результате шум источника опорного напряжения и шум усилителя усиливаются до меньших значений.
С этой цепью, уровень шума значительно снижается в полосе между 20 Гц и 2 кГц. На частотах больше «нуля», созданного R1 и C1, эта характеристика, при наличии цепи подавления, близка к аналогичной характеристике уровня шума при единичном усилении. На частотах более 20 кГц усиление с замкнутой обратной связью соответствует усилению с разомкнутой обратной связью, по этой причине дальнейшее снижение усиления шума на этом участке невозможно.
Подавление влияния источника питания (PSRR) в этом диапазоне также повышается. Значение выигрыша, в дБ, соответствует приблизительно 20×log(1+R1/R3) для частот ниже участка, где усиления с замкнутой и разомкнутой цепью обратной связи сходятся. Общее увеличение подавления источника питания составляет около 17дБ в диапазоне от 100 Гц до 1 кГц. Величина выигрыша снижается приблизительно до точки 20 кГц, где усиление с замкнутой и с разомкнутой цепью обратной связи сходятся.
Снижение шума также повышает скорость реакции ЛС при изменении нагрузки. С цепью понижения шума ЛС способен откликаться на изменение нагрузки менее чем за 50 мкс, по сравнению с ее отсутствием, когда время отклика составляет 500 мкс.
Один недостаток, относящийся к цепи снижения шума, существует - это увеличение времени включения, с около 600 мкс до 6 мс при C1 = 10 нФ и до 600 мс при C1 = 1 мкФ. Это не должно вызывать неприятностей в приложениях, которые не выключают ЛС от случая к случаю во время работы.
Этот способ будет работать с ЛС похожей архитектуры, которая показана на рисунке, где оба шума, источника опорного напряжения и шум усилителя, усиливаются с коэффициентом усиления по постоянному току, определяемым замкнутой цепью обратной связи.
Указанный метод снижения шума можно использовать, например, в ЛС Л ADP125, ADP171, ADP1741, ADP1753, ADP1755, ADP7102, ADP7104 и ADP7105, также используют эту общую архитектуру, и будут обладать преимуществом, использования цепи снижения шума.
Но в сверхмалошумящем ЛС ADM7151 этот метод не работает, т.к. в них используется усилитель с единичным усилением, а потенциал источника опорного напряжения эквивалентен выходному напряжению. В дополнение, встроенный источник опорного напряжения имеет «полюс» ниже 1 Гц, сильно фильтруя источник опорного напряжения и фактически подавляя любой вклад по шумам от источника опорного напряжения.
Источники
1. Morita, Glenn. “Low Dropout Regulators—Why the Choice of Bypass Capacitor Matters.” AnalogDialogue, Volume 45, Number 1, 2011.
Морита Гленн. «Линейные Регуляторы с малым падением – Вопросы выбора фильтрующего конденсатора.» Analog Dialogue, том 45, выпуск 1, 2011.
 
2. Morita, Glenn. AN-1120 Application Note. Noise Sources in Low Dropout (LDO) Regulators. Analog Devices, Inc., 2011.
Морита Гленн. Рекомендации по применению AN-1120. Источники шума в линейных регуляторах. Analog Devices, Inc., 2011
 

Гленн Морита, glenn.morita@analog.com 

Оставить комментарий