Прості рішення для зниження рівня шуму малопотужного джерела живлення

Розробники електронних систем постійно стикаються з проблемою створення малошумлящого джерела живлення для різного роду високоточних генераторів сигналів, малошумлящих попередніх підсилювачів та інших високочутливих пристроїв. Багато стандартних популярних недорогих стабілізаторів (регуляторів) напруги мають надмірний рівень вихідних шумів, включаючи сплески напруги від комутаційних перешкод, а також високий рівень флікер-шуму. Спектральна густина вихідної напруги білого шуму класичних трьохвивідних лінійних регуляторів може знаходитися в діапазоні 0.05…1 мкВ/√Гц. DC/DC-перетворювачі відрізняються ще більшими шумами — це 0.1…10 мкВ/√Гц у досить широкому частотному діапазоні.

Традиційні методи зниження шумів

Традиційне найпростіше рішення для зниження напруги шумів до прийнятного рівня — це застосування пасивного НЧ-фільтра з котушкою індуктивності (або резистором) у поєднанні з конденсатором, тобто LC/RC-фільтра або додаткового активного т.н. пристрою компенсації для «очищення від шуму», яке встановлюється між стабілізатором з високим рівнем шуму та навантаженням.

Застосування джерел живлення з низьким рівнем шуму актуально при електроживленні генераторів стабільної частоти в пристроях радіозв’язку, при електроживленні багатозарядних аналого-цифрових перетворювачів, а також попередніх малошумлящих аудіо-підсилювачів тощо. Усі перелічені пристрої, як правило, відрізняються порівняно невеликим струмом споживання.

Варіанти схемотехнічних рішень

Варіанти схемотехнічних рішень для зниження шумової напруги на навантаженні наведені на рис. 1-3. Це найпростіші активні пристрої, створені на базі одного або двох транзисторів, які вмикаються між стабілізатором напруги та навантаженням.

Устройства, наведені на рис. 1, 2, по суті, являють собою традиційний НЧ-фільтр, побудований на базі послідовно включеного резистора та шунтуючого конденсатора.

Оскільки резистори включені в ланцюг бази транзистора, їх опори (R1 і R3) можна істотно збільшити в порівнянні з тією схемою включення, коли резистор фільтра вмикається безпосередньо в ланцюг навантаження, і відповідно ємність конденсаторів С1 і C2 можна значно знизити. У схемах підключення, наведених на рис. 1, 2, транзистор включений за схемою із загальним колектором, а базовий струм істотно менший струму навантаження (струму емітера транзистора).

Принцип роботи пристроїв компенсації

Принцип роботи пристроїв, наведених на рис. 3, полягає в наступному. Послідовно з навантаженням вмикається резистор R4 (т.н. шунт). Змінна складова струму через цей резистор визначається сумою шумового струму джерела живлення (VIN) та змінної складової колекторного струму транзистора. Для повної компенсації шумової напруги в навантаженні (вивід VOUT) необхідно в широкому діапазоні частот підтримувати між вказаними складовими струму як зсув фаз рівний 180°, так і рівність їх амплітуд.

Зсув фаз забезпечується завдяки використанню інвертуючого підсилювача на транзисторі, а рівність амплітуд буде дотримуватися за умови R4 = R1 + RЕМІТЕРА. Приблизне значення опору емітера транзистора визначається з добре відомого виразу

RЕМІТЕРА = 25 (мВ)/IКОЛЕКТОРА (мА).

Для малопотужного навантаження можна вибрати опір R4 = 15 Ом. Наприклад, струм споживання малошумлящого попереднього підсилювача або генератора стабільної частоти часто не перевищує 10 мА, при цьому падіння напруги на резисторі буде дорівнювати всього 150 мВ. Якщо струм навантаження істотно більший, слід зменшити опір резистора R4, що потягне за собою зменшення резистора R1 і, відповідно, збільшення струму через транзистор. У цьому випадку можна рекомендувати застосування складеного транзистора, наприклад, MPSD54. При використанні схем включення, наведених на рис. 3, рівень придушення (компенсації) напруги шумів у навантаженні може становити 20 дБ. При регулюванні опору резистора R1 і базового струму транзистора можна домогтися зниження напруги шумів на 40 дБ .

Модифікована схема компенсації

При великих струмах навантаження неминуче зниження опору послідовно включеного з навантаженням резистора (рис. 4), однак далеко не завжди можна істотно зменшити опір резистора в емітері.

У цьому випадку пропонується використовувати модифіковану схему пристрою компенсації (рис. 4). Щоб не зменшувати опір емітерного резистора, у даній схемі пропонується збільшити змінну складову струму через транзистор за рахунок застосування додаткового підсилювача, побудованого на базі ОП типу LM833. З простих співвідношень випливає, що коефіцієнт підсилення по змінному струму (Ку) ОП повинен бути рівним відношенню опору резистора в емітері транзистора до опору шунта (у даному випадку 15/0.05 = 300). У наведеній схемі Ку = 1 + 300000/1000 = 301. Для кращої компенсації шумів необхідно передбачити можливість регулювання коефіцієнта підсилення. При виборі ОП слід враховувати, що він повинен відрізнятися високою пропускною здатністю та низьким рівнем шумової напруги.

На рис. 4 наведено також графік залежності спектральної густини шумової напруги на вході та виході пристрою компенсації. Як видно з графіка на частоті 100 Гц на вході напруга шумів дорівнює 330 нВ, на виході — 20 нВ (тобто спостерігається зниження шуму на 24 дБ).

Недоліки схем компенсації

Недоліки наведених схем компенсації цілком очевидні. По-перше, у широкій смузі частот не вдається строго підтримувати зсув фаз 180° і рівність амплітуд, а по-друге, при великому струмі навантаження зростають втрати потужності на резисторі шунта. Тим не менш запропоноване рішення часто застосовується при електроживленні малопотужних генераторів стабільної частоти, малошумлящих попередніх підсилювачів тощо.

Результати тестування

Результати тестування запропонованих варіантів придушення (компенсації) шумів малопотужного джерела живлення можна знайти в . У ході експериментів в якості джерела шумової напруги використовувався популярний трьохвивідний стабілізатор типу LM317. Згідно з документацією, його вихідна середньоквадратична шумова напруга в смузі частот від 10 Гц до 10 кГц і температурі 25 °С становить 0.003% від величини вихідної напруги (VOut) . Структурна схема джерела шумової напруги (12 В/20 мА) і шуми на його виході при різних значеннях ємності конденсаторів Cout і Cbypass наведені на рис. 5.

Крім того, для порівняння на цьому рисунку наведено також розподіл шуму стандартного стабілітрона (Зенер-діода) напругою 12 В при струмі 1 мА. Слід звернути увагу, що в результаті модифікації схеми включення мікросхеми стабілізатора напруги LM317 можна домогтися істотного зниження рівня шуму на його виході. На рис. 6 наведені шумові характеристики різних пристроїв компенсації.

На рис. 7 — порівняльні шумові характеристики мікросхеми малошумлящого стабілізатора TPS7A4700, а також — LM317 при різних схемах підключення, крім того, наведено розподіл шумів у випадку використання RC- та LC-фільтра, включеного на виході стабілізатора LM317.

Додаткову інформацію про пристрої для зниження рівня шуму малопотужного джерела живлення можна знайти в .

ЛІТЕРАТУРА

1. Finesse voltage regulator noise! (www.wenzel.com/documents/finesse.html).
2. Simple circuits reduce regulator noise floor. – EDN, 2013
(http://edn.com/electronics-blogs/the-practicinginstrumentation-engineer/4422750/Simple-circuitsreduce-regulator-noise-floor).
3. LM317 3-Terminal adjustable regulator. – Texas Instruments, 2015.