Автор Erroll H. Dietz, Senior Technician
(National Semiconductor Corporation)
Перевод Вашкалюк Н.Н.
Обычным подходом к снижению шума в 3-выводных (3-терминальных) стабилизаторах напряжения является простая установка сглаживающих конденсаторов на выходе и на управляющем выводе стабилизатора (ADJ). Как оказалось, добавление выходной емкости у большинства регуляторов напряжения может уменьшить шум в широком диапазоне частот, но, в тоже время, может привести к усилению шума в узком диапазоне частот. Поскольку выходной импеданс большинства 3-терминальных регуляторов является индуктивным в определенном диапазоне частот, можно предположить, что добавление выходной емкость для повышения производительности шума может иметь другое воздействие на переходную характеристику. Примеры, приведенные в этом материале, описывают регулятор напряжения LM317, но эта информация может быть расширена, а затем применена ко всем другим типам 3-терминальных регуляторов напряжения.
Как показано на рис. 1, выходной импеданс LM317 в диапазоне частот от 1 кГц до 1 МГц является индуктивным. Это не имеет ничего общего с длинными проводниками, но это просто другой способ смотреть на тот факт, что с увеличением частоты усиление любого операционного усилителя или регулятора спроектировано на его уменьшение со скоростью 6 дБ на октаву.
Рис. 1. Зависимость выходного сопротивления LM317 от частоты при токе нагрузки 500 мА
Такое положение дел, как правило, не вызывает особого беспокойства у среднестатистического пользователя микросхемы стабилизатора. Тем не менее, этот индуктивный выходной импеданс в сочетании с выходным конденсатором может привести к максимальному шуму в узком диапазоне частот. Этот пик шума совпадает с резонансной частотой контура, образованного индуктивным выходным импедансом регулятора и емкостной нагрузкой на выходе. Рис. 2 показывает типовые пики шума, производимого LM317 на различных емкостных нагрузках. Частотный диапазон шумового всплеска не распространяется выше 100 кГц, а также ниже 10 кГц за счет омических потерь в добавленной выходной емкости и индуктивности регулятора. Частоту резонанса можно найти по формуле
Рис. 2. Типовые пики шума, производимого LM317 на различных емкостных нагрузках
Величина этого шумового всплеска будет меняться в зависимости от добротности резонансного контура, в котором доминирует последовательное сопротивление ESR выходного конденсатора и пропорционально коэффициенту усиления опорного напряжения. Например, хороший 1 мкФ полипропиленовый конденсатор с ESR 20 мОм на 30 кГц, будет иметь пик шума в три раза больше, чем у танталового конденсатора с такой же емкостью, имеющего ESR 1 или 2 Ом. Пик шума также отражается обратно на вход регулятора с величиной на 20 дБ ниже уровня выходного пика шума.
Мало кто знает, что выходной импеданс 3-терминальных регуляторов может значительно меняться в зависимости от тока нагрузки и установленного выходного напряжения, которое, в свою очередь, изменяет пик шума резонансной частоты. Когда ток нагрузки увеличивается, проводимость выходного транзистора регулятора также будет увеличиваться. Это в свою очередь вызывает, как показано на рис. 3, уменьшение выходной индуктивности вплоть до сопротивления резистора токового ограничения, сопротивления соединительной проволоки кристалл-вывод и контактного сопротивления, которое становится доминирующим сопротивлением на выходе. Все это справедливо для стабилизаторов как положительного, так и отрицательного напряжения, для регулируемых, фиксированных, а так же мощных и маломощных регуляторов. В прошлом предполагалось, что зависимость выходного импеданса от частоты является фиксированной кривой, но, на самом деле, существует семейство кривых на различных уровнях тока (см. рис. 4).
Рис. 3. Зависимость выходной индуктивности LM317 от выходного тока
В заключение отметим, что типовые значения емкости CADJ, подключаемые к выводу управления, традиционно применяемые пользователями 3-выводных регуляторов, могут обеспечить ожидаемое снижение уровня шума на некоторых частотах, но не на каждой частоте. В большинстве случаев, несколько микровольт шума источника питания достигают пика на 5 или 10 кГц и не должны вызывать никаких проблем.
Однако, если применяемая схема крайне чувствительна к шуму в узком диапазоне частот, то разработчик может легко выбрать соответствующий выходной шунтирующий конденсатор и спроектировать схему регулятора так, чтобы пик шума выходил за пределы критического диапазона. В чувствительных к шумам схемах, не следует использовать конденсаторы номиналом от 0,1 мкФ до 20 мкФ, особенно с низким ESR. Наиболее эффективное снижение уровня шума может быть реализовано, когда на выходе установлен электролитический конденсатор 50 мкФ и более, и, по меньшей мере, 1 мкФ на выводе управления программируемого регулятора. Кроме того, разработчик должен осознавать, что изменение тока нагрузки или выходного напряжения может изменить значение выходной индуктивности. Таким образом, параметры схемы должны быть оценены на весь диапазон нагрузок и выходного напряжения, с которым регулятор будет эксплуатироваться.
Рис. 4. Зависимость выходного импеданса от частоты при различных уровнях нагрузки