Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Redukcja szumów w systemach regulowanych stabilizatorów LDO

ghost666 14 Mar 2014 14:06 3585 0
e-mierniki
  • Wstęp

    Poziom szumu obecnego w systemie elektronicznym jest niezwykle istotny dla inżynierów zajmujących się projektowaniem układów analogowych, szczególnie szybkich układów zegarowych, przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) i cyfrowo-analogowych (DAC) a także oscylatorów kontrolowanych napięciowo (VCO) czy pętli sprzężonych fazowo (PLL). Stabilizatory o niskim spadku napięcia (LDO) często używane są do zasilania tego typu układów. Kluczowycm aspektem redukcji szumów w systemie jest, między innymi, zapewnienie aby poziom wzmocnienia szumów przez stabilizator był możliwie mały, a najlepiej bliski jedności, oczywiście bez poświęcania parametrów tak zmiennoprądowych jak i zachowania w zamkniętej pętli stałoprądowego sprzężenia zwrotnego.

    Poniższy artykuł opisuje jak dodanie prostego układu RC do regulowanego stabilizatora LDO poprawić może parametry szumowe jego wyjścia. Dane eksperymentalne, zawarte w poniższym artykule pokazują bez żadnych wątpliwości zasadność i efektywność zaproponowanego rozwiązania układowego. Jakkolwiek redukcja poziomu zakłóceń w napięciu wyjściowym jest podstawowym celem opisywanego układu to jednocześnie dodanie opisywanego układu RC do regulowanego stabilizatora LDO poprawia inne jego parametry takie jak współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) czy odpowiedź na szybkie przejścia.

    Poniższy schemat prezentuje uproszczoną budowę typowego regulowanego stabilizatora o niskim spadku napięcia. Napięcie wyjściowe układu - VOUT - zależy od napięcia odniesienia oraz od wzmocnienia stałoprądowego w zamkniętej pętli sprzężenia wzmacniacza błędu. W przypadku opisywanego układu VOUT = VR x (1 + R1/R2). Gdzie (1 + R1/R2) to współczynnik odpowiadający wzmocnieniu stałoprądowemu zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza błędu.

    Szum wzmacniacza błędu - VN - oraz szum napięcia odniesienia - VRN - mnożone są przez ten sam czynnik (wzmocnienie pętli), co powoduje powstanie szumu wyjściowego stabilizatora, którego amplituda proporcjonalna jest do napięcia wyjściowego. Rezultatem tej zależności jest zauważalne zwiększenia się amplitudy szumów wyjściowych stabilizatora wraz z zwiększaniem się napięcia wyjściowego dla napięć mniejszych niż podwojone napięcie odniesienia. Mimo iż wzrost ten nie jest duży ten poziom zakłóceń obecny w napięciu zasilającym układy elektroniczne może być niedopuszczalny jeśli projektujemy precyzyjny system, wymagający niskiego poziomu szumów.

    Redukcja szumów w systemach regulowanych stabilizatorów LDO


    Szum stabilizatora LDO

    Zasadniczo najistotniejszy wkład do całkowitego poziomu szumów stabilizatora mają źródło napięcia odniesienia i wzmacniacz błędu. Nowoczesne, stosowane aktualnie stabilizatory pracują z prądem polaryzacji rzędu setek nanoamperów, w celu uzyskania bardzo niskiego poboru prądu z zasilania, na poziomie 15 µA. W celu uzyskania tak niewielkich prądów polaryzacji konieczne jest zastosowanie oporników polaryzujących o rezystancji dochodzącej do 1 GΩ, co wiąże się z powstaniem wzmacniaczy błędu i układów stabilizacji napięcia odniesienia charakteryzujących się o wiele wyższym poziomem szumów niż ich odpowiedniki dyskretne. Typowe stabilizatory LDO w których regulować można napięcie wyjściowe wykorzystują dzielnik oporowy do konfiguracji napięcia wyjściowego, zatem wzmocnienie szumów w układzie równe jest zmiennoprądowemu wzmocnieniu zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza błędu, które to zasadniczo jest takie samo jak wzmocnienie stałoprądowe.

    Redukcja poziomu szumów stabilizatora

    Istnieją dwie zasadnicze metody pozwalające na zmniejszenie poziomu szumów stabilizatora LDO. Jedna z nich polega na redukcji poziomu szumów napięcie odniesienia poprzez odpowiednią filtrację. Druga z metod oparta jest o zmniejszenie poziomu szumów wzmacniacza błędu. Niektóre stabilizatory LDO wyposażone są w pin pozwalający na dołączenie zewnętrznej pojemności która funkcjonować będzie jako filtr napięcie odniesienia. Istotnie, duża część tak zwanych 'ultraniskoszumnych' stabilizatorów LDO wyposażona jest w taką funkcjonalność, po to aby osiągnąć specyfikowane parametry. Poważnym problemem tego rozwiązania jest fakt iż, mimo redukcji poziomu szumów napięcia odniesienia, wzmacniacz błędu nadal wzmacniać będzie pozostały szum napięcia odniesienia o taki sam czynnik jak wzmacniane jest napięcie błędu, co powoduje iż poziom szumów napięcia wyjściowego nadal proporcjonalny będzie do tegoż napięcia.

    Redukując wzmocnienie szumu przez wzmacniacz błędu możemy stworzyć stabilizator w którym poziom szumów nie zwiększa się drastycznie wraz z napięciem wyjściowym. Niestety nie jest to możliwe podczas pracy z stabilizatorami o napięciu wyjściowym ustawianym fabrycznie, gdyż nie mamy w takich układach dostępu do pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza błędu w stabilizatorze.

    Poniższy schemat prezentuje układ regulowanego stabilizatora LDO w którym oporniki R1 i R2 konfigurują napięcie wyjściowe. Dodatkowo układ złożony z opornika R3 i kondensatora C1 zmniejsza wzmocnienie zmiennoprądowe pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza błędu znajdującego się w stabilizatorze. Aby zapewnić stabilność w systemie w którym wzmacnioacz błędu zawarty w LDO zachowuje odpowiednio duży margines fazy w przypadku wzmacniaczy które nie pracują stabilnie z wzmocnieniem równym jeden, musimy dobrać R3 tak aby wzmocnienie pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza błędu wyniosło w przybliżeniu 1,1 dla sygnałów wysokiej częstości. W celu zmniejszenia poziomu szumów o charakterze 1/f musimy dobrać kondensator C1 tak aby miejsce zerowe funkcji opisującej pętlę sprzężenia zwrotnego przypadało na częstotliwość nie większą niż 10 Hz.

    Redukcja szumów w systemach regulowanych stabilizatorów LDO


    Poniższy wykres porównuje wzmocnienie wzmacniacza błędu z otwartą pętlą sprzężenia (czarna linia), klasyczną pętlą (linia przerywana) oraz z dodanym układem RC (czerwona linia). W klasycznym przypadku wzmocnienie układu jest równe w całym pasmie działania wzmacniacza błędu - od napięcia stałego do częstotliwości granicznej. Zastosowanie układu RC opisanego powyżej powoduje iż nie zmienia się wzmocnienie stałoprądowe, ale wyraźnie zmniejsza się wzmocnienie w pozostałej części spektrum, gdzie wynosi w przybliżeniu jeden. Dzięki zastosowaniu takiego rozwiązania wpływ szumu pochodzącego z żródła napięcia odniesienia bądź samego wzmacniacza błędu jest mniej problematyczny.

    Redukcja szumów w systemach regulowanych stabilizatorów LDO


    Kolejny wykres (poniżej) obrazuje wpływ zastosowania opisanej powyżej techniki zmniejszania poziomu szumów na gęstość spektralną szumu. Dane pochodzą z pomiarów rzeczywistego stabilizatora LDO - ADP125. Dla porównania na rysunku umieszczono wykres gęstości spektralnej szumu dla wzmocnienia równego 1 (gdy napięcie wyjściowe wynosi 500 mV) oraz dla napięcia wyjściowego równego 4 V - w aplikacji klasycznej i z redukcją szumów (NR).

    Warto zwrócić uwagę na istotną poprawę poziomu szumów w zakresie od 20 Hz do 2kHz. Powyżej miejsca zerowego, które tworzy w pętli układ składający się z opornika R1 i kondensatora C1, charakterystyka szumowa zachowuje się tak samo jak dla wzmocnienia równego jeden, dzięki zastosowaniu opisanego układu RC. Powyżej częstotliwości 20 kHz wszystkie wykresy zbiegają do jednego z uwagi na przecięcie się charakterystyki częstotliwościowej pętli sprzężenia zwrotnego i samego wzmacniacza błędu. Dalsze zmniejszenie poziomu szumów w tym zakresie nie jest już możliwe.

    Redukcja szumów w systemach regulowanych stabilizatorów LDO


    Tłumienie wpływu zasilania

    Współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) w zakresie tych częstotliwości także się poprawia. Współczynnik PSRR mówi jak dobrze stabilizator tłumi zewnętrzne zakłócenia, trafiające do niego poprzez zasilanie. Dzięki wysokiemu współczynnikowi PSRR zakłócenia z wejścia stabilizatora nie są transmitowane na jego wyjście. Współczynnik ten definiuje się jako stosunek zakłóceń wejściowych do wyjściowych - PSRR = VEIN/VEOUT, lub jeśli chcemy wyznaczyć go w decybelach: PSRR = 20 x log(VEIN/VEOUT). gdzie VEIN i VEOUT to odpowiednio zewnętrzne zakłócenie pojawiające się na wejściu i wyjściu stabilizatora.

    Dla większości układów współczynnik PSRR odnosi się do wpływu napięcia obecnego na pinach zasilających na działanie układu. W przypadku stabilizatora jednakże zakłócenia dostarczane wraz z napięciem zasilającym przenikają nie tylko do układów wewnętrznych, ale także na wyjście napięcia ze stabilizatora.

    Poprawianie współczynnika PSRR

    Dodatkowym benefitem z wykorzystania opisanego powyżej układu RC tłumiącego szum wyjściowy w regulowanym stabilizatorze LDO jest fakt iż poprawia on takę współczynnik PSRR dla niskich częstotliwości. Układ złożony z R1, R3 i C1 na schemacie powyżej tworzy sieć opóźniającą z zerem przypadającym na, w przybliżeniu 1/(R1 x C1) i biegunem na 1/(R3 x C1). Układ ten kompensuje pętlę w sposób pozwalający na poprawę współczynnika tłumienia wpływu zasilania. Wyrażona w decybelach poprawa PSRR wynosi około 20 x log(1+R1/R3), dla częstotliwości poniżej punktu w którym charakterystyki częstotliwościowe wzmacniacza i pętli zbiegają się.

    Poniższy wykres pokazuje wpływ układu tłumiącego zakłócenia na PSRR stabilizatora ADP7102. Dla wyjścia skonfigurowanego na 9 V oraz oporników o wartości R1 = 1 kΩ, R2 = 10 kΩ i R3 = 1 kΩ oraz kondensatora C1 - 1 µF zero funkcji przejścia pętli sprzężenia zwrotnego przypada na około 2,5 Hz. Powoduje to wyraźną poprawę współczynnika PSRR dla częstotliwości powyżej 10 Hz. Całkowity współczynnik PSRR poprawia się aż o 17 dB dla zakresu od 100 Hz do 1000 Hz. Poprawa dla wyższych częstotliwości jest mniejsza i spada do 20 kHz, gdzie charakterystyka zbiega się z tą dla klasycznej implementacji stabilizatora.

    Redukcja szumów w systemach regulowanych stabilizatorów LDO


    Wpływ układu na odpowiedź impulsową i skoki jednostkowe

    Zastosowanie układu RC do redukcji zakłóceń poprawia także zdolność układu do odpowiedzi na szybko zmieniające się warunki otoczenia. Powtórnie pętla jest skompensowana poprzez dodanie elementów RC. Wysokoczęstotliwościowa składowa szybkich przejść jest transmitowana przez pętlę bez tłumienia, co pozwala wzmacniaczowi błędu na szybką odpowiedź na zmieniające się warunki. Poniższy wykres prezentuje odpowiedź impulsową układu na skok jednostkowy obciążenia stabilizatora bez sieci RC (a) i z dodanym układem RC (b) dla stabilizatora LDO ADP125. Z dodanym układem RC stabilizator odpowiada już w czasie 50 µs, bez tego układu, w klasycznej aplikacji, czas ten jest dziesięć razy dłuższy i wynosi 500 µs.

    (a)Redukcja szumów w systemach regulowanych stabilizatorów LDO (b) Redukcja szumów w systemach regulowanych stabilizatorów LDO


    Wpływ na czas rozruchu układu

    Jedyną wadą systemu redukcji szumów zaproponowanego w niniejszym artykule jest dosyć duży wzrost czasu potrzebnego na rozruch stabilizatora. Poniśzy wykres pokazuje charakterystyki narastania napięcia wyjściowego na wyjściu stabilizatora LDO ADP125 z i bez systemu redukcji szumów. W klasycznej aplikacji wynosi on około 0,6 ms. Czas ten zwiększa się do 6 ms jeśli dodamy kondensator C1 o pojemności 10 nF i aż do 600 ms jeśli użyjemy jako C1 kondensatora o pojemności 1 µF, jakiej wpływ na działanie analizowaliśmy powyżej. Jednakże pamiętać należy o tym iż w aplikacjach w których zasilanie podawane jest w sposób ciągły, a stabilizator LDO nie jest wyłączany w czasie pracy, czas narastania napięcia na wyjściu nie jest istotny, gdyż dotyczy tylko momentu rozruchu systemu.

    (a) Redukcja szumów w systemach regulowanych stabilizatorów LDO (b) Redukcja szumów w systemach regulowanych stabilizatorów LDO (c) Redukcja szumów w systemach regulowanych stabilizatorów LDO


    Podsumowanie

    Zaproponowany układ wyraźnie poprawia parametry regulowanego stabilizatora LDO, takie jak współczynnik tłumienia wpływu zasilania, poziom szumów czy odpowiedź na szybkie przejścia, co jest bardzo korzystne dla aplikacji analogowych, czułych na szumy obecne w liniach zasilających. Warto rozważyć korzystanie z tego rozwiązaniach w projektach w których obecne są czułe analogowe układy takie szybkie generatory, konwertery ADC i DAC czy też oscylatory lub pętle PLL.

    Opisana technika będzie działała z stabilizatorami o topologii takiej jak pokazana powyżej, gdzie wzmacniacz błędu wzmacnia szum źródła odniesienia. Do ukłądów tych nalezą, między innymi: ADP125, ADP171, ADP1741, ADP1753, ADP1755, ADP7102, ADP7104 oraz ADP7105.

    Nowoczesne stabilizatory LDO, takie jak układ ADM7151, charakteryzujące się ekstremalnie niskim poziomem szumów nie odczują pozytywnego wpływu tego ukłądu na swoje działanie ponieważ ich architektura oparta jest od wzmacniacz błędu pracujący z wzmocnieniem równym jeden, zatem napięcie wyjściowe równe jest napięciu odniesienia. Dodatkowo wbudowany filtr napięcia odniesienia posiada biegun poniżej 1 Hz co już samo w sobie zapewnia dobrą filtrację napięcia odniesienia od zakłóceń i zapewnia bezszumną pracę.
    Źródła:
    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-03/ldo_noise_reduction.html

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11100 posts with rating 9413, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • e-mierniki