Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2016
В прежние времена в любом приборе или системе имелась плата источника питания с регулятором напряжения собственного изготовления. Затем все изменилось с появлением последовательных стабилизаторов напряжения, подобных LM7805. Конструкторам больше не требовалось тратить время на то, чтобы проектировать еще и блоки источников питания. Современные версии этих микросхем приобрели намного более совершенные цепи ограничения тока и тепловой защиты, что, в свою очередь, быстро повысило надежность всей электроники.
Эти почтенные старые регуляторы продолжали изменяться, приспосабливаясь к нуждам разработчиков, что привело к появлению компонентов с низким падением напряжения, улучшенными переходными характеристиками, а теперь и с пониженными шумами.
При этом шумы конкретного компонента всегда оставались неизменными, и у LM7805, купленных сегодня, они будут точно такими же, как у LM7805, выпущенных в 1972 году. Однако требования наших систем к уровню шумов существенно изменились: нам нужны более малошумящие источники питания. Это особенно важно для радиочастотных коммуникационных устройств, где необходимы генераторы с низкими фазовыми шумами, способные передавать и принимать сложные цифровые сигналы. В системах сбора данных обычными компонентами стали 24-битные АЦП, для реализации заявленных характеристик которых, естественно, требуются малошумящие вспомогательные схемы. Не должны быть забыты также и наши друзья-аудиофилы, которые всегда жалуются на «звуки шума» в своих системах.
Эти устройства прошли долгий путь развития, чтобы помочь нам проектировать системы, отвечающие современным требованиям в части миниатюрности, экономической эффективности и, что, возможно, самое главное для тех, кто платит нам зарплату – они помогают завершать наши проекты быстрее.
Дискретные схемы снижения шумов
 |
||
| Рисунок 1. | Работа умножителя емкости основана на изоляции конденсатора фильтра C1 от нагрузки непосредственно за счет большого коэффициента усиления тока b транзистора, благодаря которому величина емкости кажется умноженной в b раз. |
|
В период между появлением первых регуляторов и выпуском их новейших малошумящих версий появилось несколько дискретных схем, разработанных для дальнейшего снижения уровня шумов источников питания. На Рисунках 1 и 2 показаны наиболее распространенные формы весьма популярных «умножителей емкости».
 |
||
| Рисунок 2. | Разновидность схемы на Рисунке 1 со стабилитроном, добавленным для улучшения качества стабилизации. Стабилитроны и сами являются источниками заметного шума, но, тем не менее, эта схема хорошо уменьшает шумы как источника питания, так и собственно стабилитрона. |
|
На Рисунке 3 изображена менее известная схема «активного регулятора». На протяжении многих лет был предложен и целый ряд других схем активных регуляторов, но в большинстве своем они были ориентированы на подавлении пульсаций, а не на снижение уровня собственных шумов [2].
 |
||
| Рисунок 3. | Описания схем активных регуляторов, хотя и не соль популярных, как умножители емкости, все же время от времени всплывают в технических публикациях. Впервые я увидел такую схему на сайте Чарльза Венцеля (Charles Wenzel) [1]. В типичном случае сопротивления резисторов R4, R5 и/или R8 необходимо подбирать, чтобы оптимизировать снижение коэффициента усиления шума для каждой конкретной схемы, в которой используется этот регулятор. |
|
Как они работают
Принцип работы показанного на Рисунке 1 умножителя емкости заключается в изоляции конденсатора от влияния нагрузки за счет большого коэффициента усиления тока (или b) транзистора, благодаря которому емкость конденсатора C1, независимо от ее величины, умножается в 100 раз. Слегка видоизмененная схема умножителя на Рисунке 2, на первый взгляд, кажется странной, поскольку в ней использован шумный стабилитрон [3], однако на практике при правильном выборе R3 и C2 она все же может обеспечить выходное напряжение с низким уровнем шума.
В большинстве аудио приложений вы увидите эти схемы, реализованные с использованием алюминиевых электролитических конденсаторов емкостью 1000 мкФ и более. Поэтому в своих экспериментах я ориентировался на более высокие частоты и, решив использовать то, что могло бы быть на типичной маленькой печатной плате, в качестве C1 выбрал танталовые конденсаторы емкостью 10 или 100 мкФ на напряжение 25 В [4]. Во всех испытаниях не использовалось никаких экзотических или дорогостоящих компонентов.
Работа регулятора на Рисунке 3 основана на восприятии любого шума транзистором Q3, который усиливает и инвертирует его, а затем вычитает путем добавления равного, но противоположного по знаку тока в резистор R4. В теории такая схема подавляет шум идеально, однако в реальности удается получить результат, лишь немного превышающий 40 дБ.
Активный регулятор имеет также ограничение по полосе, поскольку его транзистор работает в усилительном режиме с конечным значением произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, что снижает эффективность схемы на более высоких частотах. На практике я обнаружил, что несложно получить полосу 1 МГц, которая достаточно эффективно обеспечивается блокировкой с помощью стандартного конденсатора.
Заметим, что если умножитель емкости обычно одинаково хорошо работает в любой схеме, то показанный на Рисунке 3 активный регулятор приходится модифицировать под каждое конкретное приложение.
Для оптимального подавления шума необходимо подобрать коэффициент усиления транзисторного каскада, что проще всего сделать, временно заменив R8 10- или 20-омным потенциометром. Вращая потенциометр, устанавливают коэффициент усиления, при котором выходной шум минимален, а затем заменяют потенциометр постоянным резистором.
Источник сильных шумов для тестирования схем
Для проверки способности подавления шумов различными схемами я использовал микросхему LM317, как типичный компонент, который может использоваться в реальной системе. LM317 имеет дурную репутацию, являясь регулятором не столько напряжения, сколько шума. Однако, как мы увидим позже, такая репутация не вполне заслужена.
LM317 может служить отличным источником шума для проверки схем регуляторов, поскольку его шумовая характеристика имеет довольно плоский характер в полосе частот от 120 Гц до 50 кГц. Благодаря достаточно слабой зависимости шума от нагрузки прибор хорошо подходит для испытания схем. Тестовая схема с номиналами использованных компонентов показана на Рисунке 4.
 |
||
| Рисунок 4. | В качестве источника шума для проверки влияния различных решений на снижение уровня шумов был использован 12-вольтовый регулятор напряжения на основе микросхемы LM317. |
|
Рисунок 5 демонстрирует результаты испытаний LM317 с различными значениями емкости блокировочного конденсатора CBYPASS. И, наконец, на Рисунке 6 представлена измеренная зависимость плотности шумов LM317 от частоты при различных токах нагрузки.
 |
||
| Рисунок 5. | Регулятор LM317 проверялся с различными комбинациями конденсаторов COUT и CBYPASS (см. Рисунок 4). Для сравнения была также снята характеристика 12-вольтового стабилитрона при токе 1 мА. Иногда в публикациях микросхему LM317 называют непригодной для использования в малошумящих регуляторах, но при соответствующей блокировке ее шумы в 4 раза ниже, чем у стабилитрона, используемого во многих опубликованных схемах малошумящих конструкций (особенно, аудио). |
|
Для своих шумовых тестов емкость конденсатора CBYPASS я сделал равной нулю, чтобы до максимума увеличить входные шумы и максимально расширить динамический диапазон измерений.
 |
||
| Рисунок 6. | Чтобы убедиться в том, что характер и уровень шумов не зависят от выходного тока, эти характеристики LM317 измерялись при различных величинах нагрузки. |
|
Проверка уровня подавления шумов регуляторов
Поскольку многие из этих схем в конечном итоге используются как регуляторы напряжения для очистки шин питания таких устройств, как ГУН и различные радиочастотные и аудио предусилители, я использовал стандартное значение нагрузки 600 Ом, что в устройстве с номинальным напряжением 12 В дает ток 20 мА, который можно считать типичной нагрузкой для подобных схем.
На Рисунке 7 приведены результаты сравнения характеристик умножителя емкости (Рисунок 1) и используемой в качестве источника шума микросхемы LM317. Как видим, умножитель емкости хорошо выполняет свою функцию, значительно снижая шум регулятора LM317.
 |
||
| Рисунок 7. | Очевидно существенное снижение шумов после испытаний схемы на Рисунке 1 с нагрузкой 20 мА и различными комбинациями конденсаторов. В качестве источника входного шума использовалась микросхема LM317 с минимальной емкостью (синяя кривая). Оранжевым цветом также показан шумовой порог измерительной системы. Умножитель емкости на Рисунке 1 проверялся с величинами емкостей 10 и 100 мкФ (зеленая и бордовая кривые, соответственно). |
|
На Рисунке 8 представлены результаты аналогичного теста, проведенного со схемой активного регулятора, изображенного на Рисунке 3.
 |
||
| Рисунок 8. | Испытания оптимизированного активного регулятора на Рисунке 3 (зеленая кривая) также показывают значительное снижение входного шума LM317 (синяя кривая). Шумовой порог измерительной системы представлен оранжевой кривой. |
|
Сборная солянка
На Рисунке 9 сравниваются различные регуляторы и возможные схемы дискретных фильтров.
 |
||
| Рисунок 9. | Сборная солянка из характеристик LM317, ультра малошумящего регулятора TPS7A4700 компании TI и нескольких пассивных фильтров, сделанных из комбинаций LC 220 мкГн/220 мкФ и RC 15 Ом/220 мкФ. |
|
Показаны характеристики LM317 с минимальной емкостью блокировочного конденсатора в сравнении с характеристиками при рекомендованном значении емкости. Добавление одного небольшого танталового конденсатора 10 мкФ между выводами ADJ и земли уменьшает шум LM317 примерно в 10 раз!
Для сравнения показана также шумовая характеристика ультра малошумящего регулятора TPS7A4700 компании Texas Instruments. (Измерения с этой микросхемой не производились, данные взяты и справочной документации). Как можно видеть, на частоте 10 кГц шум этого сверхсовременного регулятора почти в 10 раз ниже, чем у LM317 с рекомендованными значениями емкостей, и почти в 100 раз ниже, чем у LM317 без блокировочного конденсатора.
Кроме того, для сравнения было собрано и испытано несколько небольших пассивных схем. Емкость конденсатора была выбрана равной 220 мкФ, чтобы его физические размеры были такими же, как у схемы активного регулятора на Рисунке 3, а миниатюрная индуктивность 220 мкГн выбиралась таким образом, чтобы ее последовательное сопротивление составляло порядка 15 Ом. Затем проверялась также комбинация резистора 15 Ом и конденсатора 220 мкФ.
Эти пассивные схемы действительно уменьшают шум на более высоких частотах, однако частота излома у них несколько больше, чем у любой из транзисторных схем. Мы видим, что в комбинации с LM317 эти решения могут служить отправной точкой для приближения к характеристикам TPS7A4700, что вполне неплохо для такой старой микросхемы, как LM317 (разработанной приблизительно в 1970 году [5]).
Хотя шумы новых ультра малошумящих регуляторов могут быть в 10, и даже в 100 раз меньше, чем у их широко используемых старинных прототипов, эти транзисторные схемы фильтрации все же могут улучшить шумовые характеристики даже самых шумных из доступных сегодня регуляторов.
Стабилизация напряжения нагрузки
В связи с тем, что большинство схем предусилителей и ГУН, в которых используются такие способы снижения шумов, как правило, работает в режиме класса A, ток, потребляемый ими от источника питания, обычно постоянен. Тогда характеристики динамического отклика схемы не столь важны, как падение напряжения на ней. Это падение может создать проблемы, если вы захотите воспользоваться подобными схемами в следующих проектах и обнаружите, что напряжения для питания ваших устройств недостаточно.
Нетрудно заметить, что в схемах емкостных умножителей на Рисунках 1 и 2 на пути прохождения питания находится переход база-эмиттер транзистора, на котором падает 0.6 В, даже при небольших токах нагрузки (см. Рисунок 10).
 |
||
| Рисунок 10. | Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки для схем на Рисунках 1 и 3. Следует обратить внимание на то, что в простом и компактном умножителе емкости часть напряжения питания падает на p-n переходе транзистора (синяя кривая), в то время как протеканию тока нагрузки в активном регуляторе препятствует только резистор 15 Ом (оранжевая кривая). Таким образом, сравнение двух вариантов демонстрирует возможность обмена рассеиваемой мощности на простоту и размеры схемы. И, наконец, просто так, смеха ради, я сделал модель умножителя емкости в LTSpice и сравнил ее с измерениями, сделанными в реальной схеме (желтая кривая). |
|
У активного регулятора на Рисунке 3 такого смещения напряжения нет, и он просто добавляет сопротивление 15 Ом в цепь прохождения тока нагрузки, которое, в зависимости от приложения, можно увеличить или уменьшить.
Преимуществами умножителя емкости по сравнению с активным регулятором является меньшая сложность, меньшее количество деталей и, как правило, меньшая площадь, занимаемая на печатной плате.
Выходное сопротивление (или наклон линии на Рисунке 10), измерявшееся для каждой схемы по отношению DV/DI на отрезке от 5 до 20 мА, показывает, что выходное сопротивление умножителя емкости равно 8 Ом, в то время как у активного регулятора оно определяется величиной R4 на Рисунке 3, и в нашем примере рано 15 Ом.
Заключение
Проблема шумов регулятора напряжения в вашей системе не означает, что у вас нет возможности ее решения. Если дополнительные LC-фильтры для работы на низких частотах оказываются слишком громоздкими, одна из описанных здесь транзисторных схем простым добавлением нескольких компонентов может поднять характеристики системы до уровня, превосходящего ваши ожидания. Кроме того, эти нестареющие схемы могут обеспечить улучшение параметров даже новейших ультра малошумящих микросхем регуляторов напряжения.
Ссылки
- Wenzel, Charles: "Finesse Voltage Regulator Noise"
- Feng, Sander & Wilson, "Small-Capacitance Nondissipative Ripple Filters for DC Supplies," IEEE Transactions on Magnetics, March 1970.
- Hageman, Steve, "White noise source flat from 1Hz to 100kHz"
- Typical, standard grade Tantalum capacitors are the Kemet T491 series, the AVX TAJ series, or the Vishay T83 series.
- History of the LM317
Купить TPS7A4700 на РадиоЛоцман.Цены
