Источники шума в стабилизаторах с малым падением напряжения. Часть 1


PDF версия

Понимание спектральных характеристик источников шума, стратегий снижения шума и чувствительности к нему анализируемых схем важно для успешного проектирования устойчивой системы. В статье объясняется различие между коэффициентом ослабления изменений питания (КОИП) и внутренним шумом и обсуждается, как грамотно использовать значения этих параметров.

Введение

Разница между значительным и незначительным шумом заключается в степени влияния шума на работу анализируемой схемы. Предположим, что импульсный источник питания имеет значительные пульсации в выходном напряжении с частотой 3 МГц. Если питаемая схема имеет полосу несколько герц, как в случае датчика температуры, то эти пульсации, вероятно, не будут оказывать никакого влияния. С другой стороны, если тот же импульсный источник используется для питания высокочастотной (ВЧ) схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), то результат может быть совсем иным.
Источники шума в стабилизаторе с малым падением напряжения (LDO, low dropout), как и в любой иной схеме, можно разделить на две большие категории: собственные и внешние. Собственный шум можно сравнить с шумом в голове, в то время как аналогией внешнего шума является, например, шум реактивного самолета.
С точки зрения электронных схем, собственный шум — это шум, который генерируется внутри любого электронного устройства, а внешний шум — это шум, поступающий от источника, который находится извне по отношению к рассматриваемой схеме.
LDO-стабилизаторы просты в применении. В то же время понятия остаточных пульсаций в цепи питания и собственного шума часто путают. Во многих случаях эти два фактора рассматриваются совместно, как один общий шум. В данном случае имеет место неправильная интерпретация спецификаций: поскольку эти два типа шума имеют разные характеристики, то различаются и методы уменьшения их влияния на показатели системы.
На рисунке 1 приведена упрощенная блок-схема LDO-стабилизатора и поясняется в чем отличие источников собственного и внешнего шумов. КОИП и, следовательно, возможность LDO-стабилизатора подавлять шум на входе, определяются усилителем ошибки. Собственный шум, в свою очередь, всегда появляется на выходе LDO-стабилизатора.

 

Рис. 1. Упрощенная схема LDO-стабилизатора с источниками собственного и внешнего шумов

 

Собственный шум

Существует много источников собственного шума, и каждый из них имеет  уникальные характеристики. На рисунке 2 показано, как шум типичного устройства изменяется с частотой, и отмечен вклад каждого из источников в общий шум. Точка перехода из области 1/f в область теплового шума называется граничной частотой. К основным типам собственного шума относятся: тепловой шум, шум 1/f, дробовой шум и импульсный, или попкорн-шум.

 

Рис. 2. Типичная зависимость мощности шума от частоты

 

Тепловой шум

Тепловой шум (шум Джонсона, или белый шум) возникает вследствие возбуждения носителей заряда (электронов или дырок) в любом проводнике или полупроводнике при любой температуре выше абсолютного нуля. Мощность теплового шума пропорциональна температуре. Шум имеет случайный характер и не изменяется с частотой.
Тепловой шум — это физический процесс, который описывается выражением:

 

(1)

где k — постоянная Больцмана (1,38·10–23 Дж/К), Т — температура в градусах Кельвина (К = 273°С), R — сопротивление в Ом, В — ширина полосы, в которой наблюдается шум (среднеквадратическое напряжение, измеренное на резисторе, также является функцией ширины полосы, в которой производится измерение). Например, резистор номиналом 100 кОм  в полосе 1 МГц при комнатной температуре вносит в схему шум со среднеквадратическим напряжением:

(2)

 

Шум 1/f

Шум 1/f возникает из-за поверхностных дефектов в полупроводниках. Его мощность пропорциональна току смещения устройства и, в отличие от теплового шума, обратно пропорциональна частоте. Эта обратно пропорциональная зависимость справедлива для очень низких частот. В то же время на частоте выше нескольких килогерц шум имеет практически постоянный уровень. Шум 1/f также называют розовым шумом, поскольку он увеличивается при приближении к нижней границе частотного спектра.
Шум 1/f во многом зависит от геометрии и типа устройства, а также от материала полупроводника. Это очень сильно усложняет создание математических моделей, и поэтому для описания и предсказания шума 1/f в каждом отдельном случае используют эмпирическое тестирование. В общем случае устройства со скрытыми переходами, такие как биполярные транзисторы и полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, имеют меньший уровень шума 1/f по сравнению с поверхностными устройствами, такими как полевые МОП-транзисторы.

Дробовой шум

Дробовой шум появляется там, где имеется потенциальный барьер, как в случае p-n-перехода. Из-за квантовой природы поток тока в полупроводниковых устройствах не является непрерывным. При пересечении барьера носителями заряда, дырками и электронами порождается дробовой шум. Как и тепловой шум, дробовой шум является случайным и не зависит от частоты.

Импульсный, или попкорн-шум

Импульсный, или попкорн-шум — это низкочастотный шум, который, вероятно, связан с ионными примесями. Он проявляется в виде резких изменений тока смещения или выходного напряжения цепи. Этот скачок длится непродолжительное время, после чего ток смещения или выходное напряжение так же внезапно возвращается в исходное состояние. Скачки имеют случайный характер, однако, они, по всей видимости, пропорциональны току смещения и обратно пропорциональны квадрату частоты (1/f2). Благодаря экстраординарной чистоте современных технологий производства полупроводников импульсный шум практически исключен и не является основным фактором, вносящим вклад в шум устройства.

Внешний шум

Источники внешнего шума еще более многочисленны, чем источники внутреннего шума. К ним относятся:
– электромагнитные поля, которые наводятся на чувствительные схемы;
– механические удары и вибрации, которые вызывают непреднамеренную генерацию переменных напряжений пьезоэлектрическими материалами;
– шум от других схем, который проникает в схему за счет проводимости или излучения через цепи питания или из-за неграмотно спроектированной топологии печатной платы.

Электромагнитная связь

Электромагнитные поля могут наводить шум в схеме одним или несколькими из перечисленных ниже способов: связь через излучение, емкостная, индуктивная и кондуктивная связи. Эффекты от таких наводок можно уменьшить путем экранирования и грамотного проектирования печатной платы.

Пьезоэлектрические эффекты

Некоторые компоненты, например, многослойные керамические конденсаторы высокого номинала, чувствительны к механическим ударам и вибрации (т.е. имеют микрофонный эффект), что обусловлено применением при их изготовлении материалов с высокой диэлектрической постоянной. Такие диэлектрики имеют ярко выраженный пьезоэлектрический характер и могут легко преобразовывать небольшие механические вибрации в сигналы с напряжением на уровне микро- или даже милливольт.
Несмотря на то, что пленочные конденсаторы не являются пьезоэлектриками, они тоже могут быть чувствительны к вибрации. Вызвано это тем, что любое механическое напряжение, воздействующее на пленочный диэлектрик, слегка изменяет толщину пленки, что, в свою очередь, приводит к небольшому увеличению или уменьшению емкости. Поскольку энергия, запасаемая в конденсаторе, является постоянной величиной, из-за изменения емкости напряжение также слегка изменяется. Взаимосвязь между энергией, емкостью и напряжением описывается выражением:

 

(3)

 

Когда механическое напряжение пропадает, напряжение на конденсаторе возвращается в исходное состояние. Если механическое напряжение имеет периодический характер, то будет генерироваться небольшое переменное напряжение.

Помехи в цепи питания

Обычно следующим по значимости источником шума на выходе LDO-стабилизатора после собственных шумов является шум и пульсации в цепи питания. В зависимости от спектрального содержимого источника шума LDO-стабилизатор способен значительно улучшить качество питания, подаваемого на подключенные к нему схемы.
Во многих системах напряжение, поступающее от сети переменного тока или элементов питания, преобразовывается при помощи импульсного преобразователя с высоким КПД в промежуточные напряжения для последующего распределения в системе. Эти напряжения затем преобразовываются в требуемые напряжения питания непосредственно в точке их использования.
Шум импульсного источника питания во многом зависит от его топологии и состояния нагрузки. Спектральное содержимое шума может занимать полосу шириной от нескольких герц до нескольких десятков мегагерц. Во многих случаях такие зашумленные шины распределения питания «вычищаются» LDO-стабилизаторами, чтобы напряжение можно было использовать для питания чувствительных аналоговых компонентов. Способность LDO-стабилизатора подавлять шумы источника входного напряжения зависит от его КОИП, а также от того, как КОИП изменяется с частотой.

Шум в  LDO-стабилизаторах

Основными источниками собственного шума в LDO-стабилизаторах являются внутренний источник опорного напряжения (ИОН) и усилитель ошибки. Современные LDO-стабилизаторы работают с внутренними токами смещения порядка нескольких десятков наноампер, что позволяет достичь значений потребляемого тока 15 мкА и менее. Столь малые токи смещения требуют применения резисторов смещения с большим номиналом — до гигаом.

Шум источника опорного напряжения

Поскольку тепловой шум резистора определяется как

Vn =

то очевидно, что резисторы могут вносить значительный шум в схему ИОН. К счастью, ширина полосы опорного напряжения LDO-стабилизатора не превышает нескольких герц, и реализовать на кристалле схему пассивной фильтрации для снижения данного типа шума не составляет особого труда.
Предположим, что ИОН на запрещенной зоне с импедансом источника, равным 0,1 ГОм, имеет среднеквадратический шум 407 мкВ в полосе 10 Гц…100 кГц. Ограничив полосу до 10 Гц, можно понизить среднеквадратический шум до 4,1 мкВ. Если ширину полосы уменьшить до 1,6 Гц, то вклад шума от ИОН упадет до 1,3 мкВ (скв). Однополюсный RC-фильтр с граничной частотой 1,6 Гц можно построить с помощью резистора номиналом 1 ГОм и конденсатора номиналом 100 пФ. На рисунке 3 изображен пример реализации ИОН 1,0 В с очень низким шумом.

 

Рис. 3. Источник опорного напряжения с очень низким шумом и очень малой потребляемой мощностью (ADP223)

 

Шум усилителя ошибки

Если в стабилизаторе используется малошумящий ИОН, то значительный вклад в полный выходной шум начинает вносить усилитель ошибки. Составляющие шума от ИОН и усилителя ошибки не коррелированы и должны складываться по закону корня из суммы квадратов.

 

Рис. 4. Вклад шума от источника опорного напряжения и усилителя ошибки (ADP223)

На рисунке 4 изображен пример LDO-стабилизатора с выходным напряжением 2,5 В и ИОН 500 мВ. ИОН имеет среднеквадратический шум 1 мкВ, а среднеквадратическое напряжение шума усилителя ошибки равно 1,5 мкВ. Полный среднеквадратический шум равен 9 мкВ, и получается следующим образом:

 

(4)

 

 

 

Уменьшение шума LDO-стабилизатора

Существуют два основных метода уменьшения шума LDO-стабилизатора:
– фильтрация опорного напряжения;
– уменьшение коэффициента усиления шума усилителя ошибки.
Некоторые LDO-стабилизаторы позволяют использовать внешний конденсатор для фильтрации опорного напряжения. В действительности многие из так называемых LDO-стабилизаторов с крайне низким шумом для достижения заявленных параметров шума должны работать с внешним конденсатором. Недостаток внешней фильтрации опорного напряжения заключается в том, что время запуска пропорционально номиналу конденсатора. Чтобы понять, почему это происходит, вернемся к рисунку 3.
В данном случае узел, к которому подключен конденсатор номиналом 100 пФ, выведен наружу для подключения внешнего конденсатора. Уменьшение коэффициента усиления шума усилителя ошибки не оказывает столь же существенного влияния на время запуска как фильтрация опорного напряжения и облегчает достижение компромисса между временем запуска и уровнем выходного шума. К сожалению, уменьшение выходного шума в LDO-стабилизаторах с фиксированным выходным напряжением в общем случае невозможно, поскольку в них нет внешнего доступа к узлу обратной связи. В то же время в большинстве LDO-стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением узел обратной связи доступен извне.
Если вклад шума от усилителя ошибки больше вклада от ИОН, то уменьшением коэффициента усиления шума усилителя ошибки можно достичь значительного снижения общего шума LDO-стабилизатора. Один из способов определить, является ли усилитель ошибки основным источником шума, заключается в сравнении показателей шума одного и того же LDO-стабилизатора с фиксированным и регулируемым выходным напряжением. Если версия с фиксированным выходным напряжением характеризуется гораздо меньшим шумом по сравнению с версией с регулируемым выходным напряжением, то основным источником шума является усилитель ошибки.
На рисунке 5 изображен LDO-стабилизатор с регулируемым выходным напряжением,  равным 2,5 В. R1, R2, R3 и C1 — это внешние компоненты. Номинал R3 выбран таким образом, чтобы коэффициент усиления усилителя на высоких частотах составлял 1,5—2. Некоторые LDO-стабилизаторы имеют маленький запас по фазе или нестабильны при единичном коэффициенте усиления. Номинал C1 выбран таким образом, чтобы частота низкочастотного нуля цепи ослабления шума (C1, R1 и R3) находилась в диапазоне 10…100 Гц. Этим гарантируется адекватное уменьшение шума в области 1/f.
Рисунок 6 иллюстрирует влияние цепи ослабления шума на спектральную плотность шума высоковольтного LDO-стабилизатора с регулируемым выходным напряжением. На основании анализа графика становится очевидным, что в области частот между 20 Гц и 2 кГц шум уменьшается примерно в три раза (~10 дБ). Нужно обратить внимание, что в области выше 20 кГц кривые сходятся. Это вызвано тем, что характеристика коэффициента усиления при замкнутой цепи обратной связи пересекает характеристику коэффициента усиления при разомкнутой цепи обратной связи, и дальнейшее уменьшение коэффициента усиления шума невозможно. В этом диапазоне частот также имеет место улучшение КОИП.

 

Рис. 5. Уменьшение коэффициента усиления шума в LDO-стабилизаторе с регулируемым выходным напряжением

Рис. 6. Спектральная плотности шума регулируемого LDO

 

Спецификации шума в технических описаниях LDO-стабилизаторов

Обычно собственный шум LDO-стабилизатора указывается в техническом описании двумя способами:
– полный интегральный шум в некоторой полосе, выраженный в мкВ (скв), (см. рис. 7);
– кривая спектральной плотности шума, которая описывает шум в виде зависимости величины мкВ/√Гц от частоты (см. рис. 6).
В технических описаниях компонентов компании Analog Devices полный интегральный шум указывается для полосы 10 Гц…100 кГц. На рисунке 7 показана зависимость полного среднеквадратического шума ADP223 в полосе 10 Гц…100 кГц от тока нагрузки при различных значениях выходного напряжения. Обычно при небольших токах нагрузки среднеквадратический шум меньше, т.к. вместе с рабочим током уменьшается и ширина полосы LDO-стабилизатора. Когда ток нагрузки достигает нескольких миллиампер, LDO-стабилизатор работает с полной шириной полосы, и при дальнейшем увеличении тока нагрузки шум перестает изменяться.

 

Рис. 7. График зависимости среднеквадратического шума от тока нагрузки и выходного напряжения (ADP223)

Рис. 8. Зависимости спектральной плотности мощности от выходного напряжения (ADP223)

График спектральной плотности шума ADP223, приведенный на рисунке 8, показывает, как спектральная плотность шума изменяется при разных выходных напряжениях в диапазоне частот 10 Гц…100 кГц. Интегрирование данных во всей полосе дает среднеквадратическое значение шума. Чтобы оценить среднеквадратическое значение шума в произвольной полосе, нужно использовать следующее выражение:

 

 

(5)

 

 

где BW = NFU — NFL, NFL — шум в мкВ/√Гц в нижней точке диапазона, NFU — шум в мкВ/√Гц в верхней точке диапазона. Так, например, среднеквадратический шум в полосе частот 10 Гц…100  Гц при выходном напряжении 1,2 В в соответствии с рисунком 8 вычисляется так:

 

(6)

 

Vn = 8,9 мкВ (скв).

 

Измерения спектральной плотности шума проводятся при токе нагрузки, достаточном для работы LDO-стабилизатора с полной шириной полосы, но не настолько большом, чтобы вызывать значительный самонагрев устройства. Для большинства LDO-стабилизаторов с выходным током 1 А или менее для проведения измерений достаточно 10 мА.

Сравнение показателей шума LDO-стабилизаторов

Поскольку среднеквадратический шум описывается одним числом, этот показатель полезен для сравнения качества разных LDO-стабилизаторов. В то же время необходимо, чтобы значения шума, используемые при сравнении, были получены при одинаковых тестовых условиях. Так, например, среднеквадратический шум ADP223 при выходном напряжении 1,2 В равен примерно 27,7 мкВ в полосе 10 Гц…100 кГц. Если ширину полосы сократить до диапазона 100 Гц…100 кГц, то среднеквадратический шум уменьшается примерно до 26,2 мкВ. Это происходит из-за того, что из вычисления исключается шум в диапазоне 10…100 Гц, который равен 8,9 мкВ (скв):

 

(7)

 

Кроме того, важно обращать внимание на любые функции снижения шума, имеющиеся в анализируемом LDO-стабилизаторе. В LDO-стабилизаторах, которые для снижения шума требуют применения внешних конденсаторов, шум может возрастать до 100 раз при работе без конденсатора. Для задач, где важны малая занимаемая площадь и низкая стоимость, лучше подойдет LDO-стабилизатор, который не требует внешнего конденсатора, но характеризуется несколько большим шумом по сравнению со стабилизатором, для которого необходим внешний конденсатор.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *