Cosa rende un regolatore di tensione a basso rumore?

Creato: agosto 13, 2021
Aggiornato: luglio 1, 2024

I tuoi circuiti integrati necessitano di alimentazione DC stabile per funzionare correttamente, e il basso rumore è un requisito standard per qualsiasi regolatore DC. In alcuni casi, potresti preoccuparti di un paio di dB in più di regolazione del carico purché il rumore possa essere filtrato, ma le applicazioni che richiedono una temporizzazione ultra-precisa e componenti con intervalli di tensione di ingresso molto stretti necessitano di una tensione DC molto stabile con basso contenuto di rumore. Quindi, come puoi qualificare i limiti esatti del basso rumore, e quali tipi di regolatori sono migliori per queste applicazioni?

Se non hai mai esaminato le specifiche dei regolatori di tensione, probabilmente dovrai affidarti al linguaggio di marketing per trovare un regolatore di tensione a basso rumore per il tuo prossimo sistema. Tuttavia, il regolatore stesso non è tutta la storia, e ci sono altri componenti e strategie di layout necessari per garantire che un regolatore fornisca un'uscita DC a basso rumore stabile. Ecco cosa devi sapere sui diversi tipi di regolatori a basso rumore e come selezionare il miglior componente per le tue esigenze.

Fondamenti dei regolatori di tensione a basso rumore

Un regolatore di tensione a basso rumore può tecnicamente essere costruito con qualsiasi topologia; come ottenere un rumore sufficientemente basso per un uso pratico è un'altra questione che deve essere affrontata dal progettista del componente o del circuito. Il componente regolatore che scegli avrà molte specifiche importanti, ma le seguenti tre ti diranno praticamente tutto ciò che devi sapere sulla gestione del rumore del regolatore (sia generato internamente che esterno).

Rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR). In breve, questa specifica ti dice quanto rumore condotto (in dB) dall'alimentazione a monte viene respinto dal regolatore. L'amplificatore di errore in un LDO garantisce un alto PSRR (simile a un convertitore switching), sebbene siano inefficienti se è richiesto un alto step-down.
Regolazione dell'uscita. Questo può essere misurato in dB rispetto a un valore nominale o come percentuale. I regolatori veramente a basso rumore dovrebbero avere un valore di regolazione dell'uscita molto basso; i migliori componenti avranno valutazioni di regolazione al di sotto dell'1%. Questa specifica potrebbe anche essere definita in termini di un'uscita RMS come frazione della tensione di uscita nominale.
Densità di potenza del rumore. Questo mostra la quantità di rumore che ti aspetti di vedere su un intervallo di frequenza arbitrario. L'intervallo rilevante può essere preso da DC fino a frequenze molto alte (100 kHz a 1 MHz), o fino alla frequenza di commutazione per un regolatore switching.

Tutte e tre le quantità elencate sopra dipendono dalla frequenza. Nota che la densità di potenza del rumore comprende tutte le fonti di rumore generate internamente, inclusi eventuali rumori di commutazione interni. Queste tre specifiche devono essere considerate insieme quando si seleziona un regolatore di tensione a basso rumore. Ad esempio, bassa regolazione dell'uscita e densità di potenza del rumore sono insignificanti se l'ingresso ha 0 dB PSRR. Allo stesso modo, il PSRR non importa se il valore della regolazione dell'uscita è molto alto.

Costruire un regolatore da componenti discreti

Altri circuiti di supporto all'uscita da un regolatore di tensione o all'interno di un regolatore IC stesso possono aiutare a ridurre ulteriormente il rumore sull'uscita del regolatore. Ad esempio, se stai costruendo il tuo regolatore lineare con componenti discreti, l'utilizzo di un moltiplicatore di capacità è un modo semplice ma efficace per abbattere il rumore; questa topologia è spesso utilizzata nei regolatori audio o RF a bassa frequenza senza la necessità di componenti esotici. Un altro esempio è un regolatore attivo, che fornisce una riduzione del rumore teoricamente perfetta.

Se vuoi ottenere una riduzione del rumore ancora maggiore, hai bisogno di un filtraggio aggiuntivo sull'input/output, o devi usare una soluzione integrata altamente ingegnerizzata. Dovresti anche considerare come la filtrazione sull'uscita e la tua frequenza di commutazione influenzano il contenuto di rumore nel tuo regolatore.

Il Ruolo della Frequenza di Commutazione e della Filtrazione

Se stai cercando un convertitore di commutazione, aggiungerai del rumore extra sull'uscita dal regolatore. In sostanza, un regolatore di commutazione trasforma l'ondulazione a bassa frequenza da una fonte AC in rumore ad alta frequenza, che si diffonde attraverso la larghezza di banda del segnale PWM. Questo dovrebbe illustrare il motivo per cui molti componenti di regolatori di tensione a basso rumore sono LDO; non hanno alcun rumore di commutazione. Dai un'occhiata a questo articolo per saperne di più sulla progettazione di convertitori di commutazione e su come scegliere la migliore frequenza per il tuo convertitore.

Esempio di spettro di rumore prodotto da un convertitore buck guidato in due modalità confrontato con i limiti CISPR. [Fonte]

Infine, se hai bisogno di un contenuto di rumore molto basso dal tuo regolatore, può essere utilizzato un filtro passa-basso di ordine superiore per rimuovere parte del contenuto di rumore dal dispositivo. Questi filtri possono essere progettati con componenti passivi, sebbene sia necessario fare attenzione al layout quando si lavora ad alta corrente con un regolatore di commutazione; l'azione di commutazione genera un campo magnetico elevato che può indurre una corrente sull'uscita del filtro che poi si propaga a valle ad altri componenti.

Due Esempi di Regolatori di Tensione a Basso Rumore

STMicroelectronics, LD56100

Per applicazioni a bassa tensione e corrente moderata, la serie LD56100 di STMicroelectronics è un LDO a basso rumore che fornisce fino a 5.5 V di uscita con 1 A di corrente. Offre una tensione di dropout molto bassa di 120 mV con uscita stabilizzata utilizzando un condensatore ceramico integrato. Il PSRR è valutato a 70 dB (frequenza di 1 kHz) con 0.13 mV RMS di rumore all'uscita di 3 V.

Diagramma a blocchi per il regolatore LDO a basso rumore LD56100. Fonte: Scheda tecnica LD56100.

Analog Devices LTC7151S

Un esempio di regolatore di tensione a basso costo e basso rumore è il LTC7151S di Analog Devices. Questo regolatore SMD a basso rumore offre una frequenza di commutazione regolabile dall'utente da 400 kHz a 3 MHz con un driver PWM integrato, rendendolo una scelta eccellente per sistemi che necessitano di un convertitore di commutazione ad alta potenza con basse perdite. L'intervallo di ingresso arriva fino a 20 V, e l'uscita fino a 5,5 V con 15 A forniti al carico. Sono offerte due modalità di regolazione dell'alimentazione, entrambe in grado di mantenere la regolazione del carico in uscita al di sotto dello 0,25% su tutto l'intervallo di corrente di uscita.

Circuito di applicazione del regolatore di tensione a basso rumore LTC7151S. Fonte: Scheda tecnica LTC7151S.

Altri Componenti per Sistemi di Alimentazione

Un regolatore di tensione a basso rumore non raggiunge da solo bassi livelli di rumore, e la sezione del regolatore richiederà altri componenti per fornire l'uscita di potenza desiderata e un basso livello di rumore. Per una regolazione molto precisa in sistemi ad alta potenza, mantenere la stabilità e assicurare allo stesso tempo un basso rumore è una grande sfida, che richiede una gamma di altri componenti per la gestione dell'energia. Ecco alcuni altri componenti che potresti necessitare per il tuo prodotto:

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