ПРОСТЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ШУМА МАЛОМОЩНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Разработчики электронных систем постоянно сталкиваются с проблемой создания малошумящего источника питания для разного рода высокоточных генераторов сигналов, малошумящих предварительных усилителей и других высокочувствительных устройств. Многие стандартные популярные недорогие стабилизаторы (регуляторы) напряжения имеют избыточный уровень выходных шумов, включая всплески напряжения от коммутационных помех, а также высокий уровень фликкер-шума. Спектральная плотность выходного напряжения белого шума классических трехвыводных линейных регуляторов может находится в диапазоне 0.05…1 мкВ/√Гц. DC/DC-преобразователи отличаются еще большими шумами – это 0.1…10 мкВ/√Гц в достаточно широком частотном диапазоне.
Традиционное простейшее решение для снижения напряжения шумов до приемлемого уровня – это применение пассивного НЧ-фильтра с катушкой индуктивности (или резистором) в сочетании с конденсатором, т.е. LC/RC-фильтра или дополнительного активного т.н. устройства компенсации для «очистки от шума», которое устанавливается между стабилизатором с высоким уровнем шума и нагрузкой.
Применение источников питания с низким уровнем шума актуально при электропитании генераторов стабильной частоты в устройствах радиосвязи, при электропитании многоразрядных аналого-цифровых преобразователей, а также предварительных малошумящих аудио-усилителей и пр. Все перечисленные устройства, как правило, отличаются сравнительно небольшим током потребления.
Варианты схемотехнических решений для снижения шумового напряжения на нагрузке приведены на рис. 1-3. Это простейшие активные устройства, созданные на базе одного или двух транзисторов, которые включаются между стабилизатором напряжения и нагрузкой.
Устройства, приведенные на рис. 1, 2, по сути, представляют собой традиционный НЧ-фильтр, построенный на базе последовательно включенного резистора и шунтирующего конденсатора.

Рис. 1. Активный фильтр на транзисторе

Поскольку резисторы включены в цепь базы транзистора, их сопротивления (R1 и R3) можно существенно увеличить в сравнении с той схемой включения, когда резистор фильтра включается непосредственно в цепь нагрузки, и соответственно емкость конденсаторов С1 и C2 можно значительно снизить. В схемах подключения, приведенных на рис. 1, 2, транзистор включен по схеме с общим коллектором, а базовый ток существенно меньше тока нагрузки (тока эмиттера транзистора).

Рис. 2. Простейший стабилизатор напряжения
на транзисторе

Рис. 3. Структура активных устройств
компенсации

Принцип работы устройств, приведенных на рис. 3, заключается в следующем. Последовательно с нагрузкой включается резистор R4 (т.н. шунт). Переменная составляющая тока через этот резистор определяется суммой шумового тока источника питания (VIN) и переменной составляющей коллекторного тока транзистора. Для полной компенсации шумового напряжения в нагрузке (вывод VOUT) необходимо в широком диапазоне частот поддерживать между указанными составляющими тока как сдвиг фаз равный 180°, так и равенство их амплитуд.

Рис. 4. Модифицированная структура активного устройства компенсации

Сдвиг фаз обеспечивается благодаря использованию инвертирующего усилителя на транзисторе, а равенство амплитуд будет соблюдаться при условии R4 = R1 + RЭМИТТЕРА. Приблизительное значение сопротивления эмиттера транзистора определяется из хорошо известного выражения

RЭМИТТЕРА = 25 (мВ)/IКОЛЛЕКТОРА (мА).

Для маломощной нагрузки можно выбрать сопротивление R4 = 15 Ом. К примеру, ток потребления малошумящего предусилителя или генератора стабильной частоты зачастую не превышает 10 мА, при этом падение напряжения на резисторе будет равно всего 150 мВ. Если ток нагрузки существенно больше, следует уменьшить сопротивление резистора R4, что повлечет за собой уменьшение резистора R1 и, соответственно, увеличение тока через транзистор. В этом случае можно рекомендовать применение составного транзистора, например, MPSD54. При использовании схем включения, приведенных на рис. 3, уровень подавления (компенсации) напряжения шумов в нагрузке может составлять 20 дБ. При регулировке сопротивления резистора R1 и базового тока транзистора можно добиться снижения напряжения шумов на 40 дБ .
При больших токах нагрузки неизбежно снижение сопротивления последовательно включенного с нагрузкой резистора (рис. 4), однако далеко не всегда можно существенно уменьшить сопротивление резистора в эмиттере.
В этом случае предлагается использовать модифицированную схему устройства компенсации (рис. 4). Чтобы не уменьшать сопротивление эмиттерного резистора, в данной схеме предлагается увеличить переменную составляющую тока через транзистор за счет применения дополнительного усилителя, построенного на базе ОУ типа LM833. Из простых соотношений следует, что коэффициент усиления по переменному току (Ку) ОУ должен быть равен отношению сопротивления резистора в эмиттере транзистора к сопротивлению шунта (в данном случае 15/0.05 = 300). В приведенной схеме Ку = 1 + 300000/1000 = 301. Для лучшей компенсации шумов необходимо предусмотреть возможность регулировки коэффициента усиления. При выборе ОУ следует учитывать, что он должен отличаться высокой пропускной способностью и низким уровнем шумового напряжения.

На рис. 4 приведен также график зависимости спектральной плотности шумового напряжения на входе и выходе устройства компенсации. Как видно из графика на частоте 100 Гц на входе напряжение шумов равно 330 нВ, на выходе – 20 нВ (т.е. наблюдается снижение шума на 24 дБ).
Недостатки приведенных схем компенсации вполне очевидны. Во-первых, в широкой полосе частот не представляется возможным строго поддерживать сдвиг фаз 180° и равенство амплитуд, а, во-вторых, при большом токе нагрузки возрастают потери мощности на резисторе шунта. Тем не менее предложенное решение зачастую применяется при электропитании маломощных генераторов стабильной частоты, малошумящих предусилителей и пр.
Результаты тестирования предложенных вариантов подавления (компенсации) шумов маломощного источника питания можно найти в . В ходе экспериментов в качестве источника шумового напряжения использовался популярный трехвыводной стабилизатор типа LM317. Согласно документации, его выходное среднеквадратичное шумовое напряжение в полосе частот от 10 Гц до 10 кГц и температуре 25 °С составляет 0.003% от величины выходного напряжения (VOut) . Структурная схема источника шумового напряжения (12 В/20 мА) и шумы на его выходе при разных значениях емкости конденсаторов Cout и Cbypass приведены на рис. 5.

Рис. 5. Схема источника шумового
напряжения на базе ИМС LM317

Кроме того, для сравнения на этом рисунке приведено также распределение шума стандартного стабилитрона (Зенер-диода) напряжением 12 В при токе 1 мА. Следует обратить внимание, что в результате модификации схемы включения микросхемы стабилизатора напряжения LM317 можно добиться существенного снижения уровня шума на его выходе. На рис. 6 приведены шумовые характеристики разных устройств компенсации.

Рис. 6. Шумовые характеристики разных устройств компенсации

На рис. 7 – сравнительные шумовые характеристики микросхемы малошумящего стабилизатора TPS7A4700, а также – LM317 при разных схемах подключения, кроме того, приведено распределение шумов в случае использования RC- и LC-фильтра, включенного на выходе стабилизатора LM317.
Дополнительную информацию об устройствах для снижения уровня шума маломощного источника питания можно найти в .

Рис. 7. Шумовые характеристики разных
устройств

ЛИТЕРАТУРА

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.