Шумы в линейных стабилизаторах, их источники и методы уменьшения
Каждому разработчику электроники знакома цепочка «применение в разработке современных прецизионных микросхем — повышение требований к параметрам питающего напряжения». Отсюда — устойчивый спрос на микросхемы линейных стабилизаторов, являющиеся промежуточным звеном между сетевым источником питания и нагрузкой. Отсюда же — повышенные требования к напряжению на их выходе.
• Что влияет на шум на выходе линейного стабилизатора?
• Как оценить подавление пульсаций сетевого источника питания?
• Какие технические решения применить для снижения уровня шумов?
Ответ на поставленные вопросы — в предлагаемой вниманию читателей статье, открывающей серию материалов, посвященных шумам источников питания и их подавлению.
Наблюдается устойчивая тенденция снижения напряжения питания современных СБИС: 3,3; 1,8; 1,2; 0,8 В. В связи с этим ужесточаются требования к стабильности напряжения питания и, в частности, к уровню шумов, присутствующих на линии питания нагрузки.
Обобщенная структурная схема питания электронного устройства приведена на рис. 1. Сетевой источник питания (AC/DC преобразователь) обеспечивает напряжение основной шины питания.
Непосредственно рядом с нагрузкой, как правило, применяются линейные стабилизаторы (LDO) для получения необходимых номиналов напряжения.
И сетевой источник питания, и линейный стабилизатор являются источниками шумов. Однако эти шумы имеют разную природу. Основной шум, присутствующий на выходе сетевого источника питания, — это пульсации, обусловленные импульсным характером работы источника питания. Собственно шумами в электронике
называются тепловой, дробовой шум и фликкер-шум. Их основными источниками являются активные элементы (транзисторы, диоды) и резисторы. Линейный стабилизатор является источником именно таких шумов.
Шумы и пульсации с выхода сетевого источника питания попадают на вход линейного регулятора и каким-то образом преобразуются в нем. Какова степень подавления этих шумов в линейном стабилизаторе? Для ее количественной оценки существует такой параметр, как степень подавления пульсаций источника питания (power supply ripple rejection, PSRR).
Каким образом влияют шумы линейного стабилизатора на функционирование питаемой нагрузки, какой вклад вносят шумы сетевого источника питания, прошедшие через стабилизатор и тоже попавшие в нагрузку? Этим вопросам в последнее время был посвящен ряд публикаций [1-3]. На основе этих материалов мы начинаем публикацию серии статей.
Итак, рассмотрим следующие вопросы:
• источники шумов в линейном стабилизаторе и методы уменьшения уровня шумов на его выходе;
• подавление пульсаций источника питания в линейном стабилизаторе;
• оценка уровня шумов и пульсаций на выходе линейного стабилизатора.
ИСТОЧНИКИ ШУМОВ В ЛИНЕЙНОМ СТАБИЛИЗАТОРЕ И МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ УРОВНЯ ШУМОВ
Характеристики шумов
Линейный стабилизатор (LDO) является аналоговой цепью. Шумы линейного стабилизатора можно описать двумя характеристиками. Одна из них — спектральная плотность шумов, которая представляет собой кривую зависимости приведенного напряжения шумов в мкв/^Гц от частоты.
Другой характеристикой является шум, приведенный к выходу стабилизатора, измеряемый в мкВ (среднеквадратическое значение). Это значение спектральной плотности шума, измеренной в диапазоне частот. Если этот диапазон достаточно широк, рассматриваемая характеристика является очень удобным инструментом оценки и сравнения уровня шумов.
Источники шумов находятся внутри линейного стабилизатора, однако для удобства расчетов и анализа все шумы приводятся к его выходу. Типичный подход к рассмотрению шумов в LDO заключается в следующем. Шумы всех источников сначала приводятся к входу дифференциального усилителя LDO. Термин «приводятся» означает, что шум каждого источника нужно разделить на коэффициент передачи цепи между источником шума и входом усилителя. Далее следует пересчитать все эти шумы к выходу стабилизатора. Для этого нужно умножить значение шума с входа усилителя на значение коэффициента передачи замкнутой цепи обратной связи (ОС). Коэффициент передачи замкнутой ОС стабилизатор
Источники шумов в линейном стабилизаторе
На рис. 2 изображена упрощенная схема линейного стабилизатора с источниками шумов. Источниками шумов в LDO являются:
• источник опорного напряжения (ИОН),
• делитель напряжения R1R2,
• входной каскад операционного усилителя.
|
