Шумы в линейных стабилизаторах, их источники и методы уменьшения.Продолжение
Основным источником шумов в стабилизаторе обычно является ИОН. Во многих случаях уменьшить уровень шумов можно с помощью фильтра нижних частот на его выходе (ФНЧ). Этот же фильтр (встроенный резистор, внешний конденсатор Сподав. шума) используется для подавления пульсаций источника питания (PSSR). Частота среза фильтра выбирается внутри диапазона от 1 до 500 Гц таким образом, чтобы максимально подавить все шумы ИОН. Отрицательным эффектом использования RC-филь-тра является значительное увеличение времени заряда ИОН и, как следствие, времени включения стабилизатора. Этих проблем можно избежать, если применять малошумящие стабилизаторы с встроенной цепью быстрого заряда и высоким PSSR. Примером таким LDO могут служить стабилизаторы серий TPS793/4/ 5/6хх или TPS799xx компании Texas Instruments^aace при большой емкости шумоподавляющего внешнего конденсатора 0,01 мкФ эти стабилизаторы включаются за 50-100 мкс.
Другим значительным источником шумов в LDO является делитель напряжения R1R2. Он генерирует тепловой шум мощностью 4kTR, где к — постоянная Боль-цмана, Т — температура в Кельвинах, R — сопротивление. Делитель напряжения подключен непосредственно к входу дифференциального усилителя, поэтому шум делителя усиливается всей петлей обратной связи стабилизатора. При расчете шумов этого источника нужно учитывать, что по переменному току резисторы Rl, R2 включены параллельно. Для того
чтобы снизить уровень шумов делителя, нужно просто уменьшить сопротивление резисторов. Недостатком такого подхода является протекание большего тока через делитель обратной связи. Разработчики стабилизаторов идут на такую «жертву», когда очень важно снизить уровень шума прибора. Конечно, эта мера недоступна разработчику электронной техники, который использует готовый стабилизатор «как есть».
Еще один источник шумов стабилизатора — дифференциальный усилитель (усилитель ошибки). Обычно его входной каскад имеет высокий уровень усиления. Любой шум, возникающий внутри стабилизатора, пройдя по цепи ОС, усиливается этим каскадом. К сожалению, никакими внешними компонентами нельзя уменьшить уровень шумов этого источника внутри стабилизатора. Все основные источники шумов в стабилизаторе (ИОН, делитель напряжения, входной каскад усилителя ошибки) подключены к входу дифференциального усилителя и поэтому их шумы не ослабляются внутри стабилизатора.
Для многих оказывается сюрпризом, что мощный проходной полевой транзистор, на который приходится основная часть падения напряжения в стабилизаторе, не вносит значительного вклада в уровень шумов стабилизатора. Причиной этого является отсутствие усиления шума. Чтобы найти уровень шума, создаваемого проходным транзистором, надо разделить его шум на коэффициент передачи разомкнутой ОС между выходом транзистора и входом усилителя. Этот коэффициент передачи обычно довольно большой, поэтому результирующий шум от проходного транзистора незначителен, и его можно не учитывать.
Отметим, что ни выходная емкость, ни ток нагрузки, ни входное напряжение не оказывают прямого действия на уровень выходного шума, по крайней мере, в первом приближении. Однако ток нагрузки и выходная емкость могут влиять на уровень шумов не прямо, а опосредованно. Как указывалось выше, выходной шум рассчитывается путем умножения шума, приведенного к входу усилителя, на коэффициент передачи замкнутой цепи обратной связи. Это коэффициент не является постоянным во всем диапазоне частот и уменьшается с ростом частоты. Основная цель анализа обратной связи в стабилизаторе заключается в том, что малый запас по фазе приводит к увеличению коэффициента усиления в замкнутой цепи ОС вблизи частоты единичного усиления и, следовательно, увеличению уровня шума на выходе. Этот эффект хорошо виден по спектральной плотности шума (см. рис. 3).
Большой ток нагрузки и малая емкость выходного конденсатора вносят вклад в уровень шума поскольку, поскольку оба эти параметра делают LDO менее стабильным. Уменьшение запаса по фазе
увеличивает коэффициент передачи замкнутой цепи ОС, что приводит возрастанию уровня шума на выходе.
Применение конденсатора Свых с более высоким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) уменьшает уровень шума на выходе стабилизатора. Большее последовательное сопротивление ESR создает нуль на низкой частоте, который улучшает устойчивость LDO. Повышенная устойчивость увеличивает запас по фазе, уменьшает коэффициент передачи цепи ОС и, соответственно, напряжение шумов на выходе. Оптимизация величины емкости выходного конденсатора и тока нагрузки увеличивает запас по фазе и снижает коэффициент передачи замкнутой цепи ОС. Устойчивость можно оптимизировать с помощью кривых устойчивости, которые приводится в фирменных описаниях (data sheets) некоторых моделей LDO.
Существует еще одно техническое решение для уменьшения уровня шумов: можно подключить конденсатор параллельно верхнему резистору в делителе обратной
связи. На высоких частотах конденсатор уменьшает коэффициент передачи замкнутой цепи ОС и, следовательно, уровень шума на выходе. Однако эта мера может увеличить время включения прибора, эта задержка обусловлена необходимостью заряда этого конденсатора, на что требуется время. Указанное противоречие между снижением уровня шума и увеличением времени включения LDO разрешено в стабилизаторах серии TPS799xx Texas Instruments: для снижения уровня шумов они имеют встроенный конденсатор, а для ускорения включения — специальную ускоряющую цепь.
ВЫВОДЫ
Существует несколько способов снижения уровня шума на выходе линейного стабилизатора.
Самый простой — выбрать ма-лошумящий стабилизатор с вы-
соким PSSR. Примерами таких стабилизаторов являются приборы серий TPS793/4/5/6xx, оптимизированных для малошумящих приложений и серии TPS799xx с низким током покоя.
Второй способ — использовать конденсатор Сподав.шума большой емкости, но в этом случае дальнейшее улучшение ситуации невозможно.
Наконец, можно выбрать малое сопротивление резисторов делителя в цепи обратной связи (у LDO с регулируемым выходом) и подключить небольшой конденсатор параллельно верхнему резистору делителя, если его подключение возможно у конкретной модели стабилизатора.
Оптимизация величины емкости выходного конденсатора и тока нагрузки являются более тонкими способами и используются в особо важных случаях.
|
