Хороший операционный усилитель, прецизионный АЦП или малошумящий генератор способны испортить весь результат измерения из-за одного-единственного решения, принятого на этапе выбора источника питания. Это не преувеличение: деградация SINAD на 10-15 дБ из-за шума в цепи питания встречается в реальных разработках куда чаще, чем хотелось бы признавать. Именно поэтому выбор между линейным LDO-стабилизатором и импульсным регулятором для аналоговой части - не вопрос привычки или вкуса, а инженерная задача с конкретными числами и измеримыми последствиями.
Почему аналоговая часть так болезненно реагирует на шум питания
Аналоговая схема и цифровая отличаются отношением к помехам принципиально. Цифровая логика работает с широкими порогами переключения, пульсации питания в десятки милливольт для неё практически незаметны. Аналоговый тракт живёт в мире микровольт и нановольт: усилитель с входным шумом 5 нВ/√Гц теряет смысл, если его питание несёт рябь в несколько милливольт на частоте переключения импульсного регулятора.
Механизм проникновения шума питания в сигнальный тракт многообразен. Через коэффициент подавления питания (PSRR) самого усилителя или АЦП, который с ростом частоты быстро ухудшается. Через паразитные ёмкостные связи между цепями питания и сигнальными дорожками на плате. Через модуляцию тока смещения активных элементов при колебаниях напряжения питания. Всё это означает, что шум на шине питания аналоговой части попадает прямо в полезный сигнал, и никакая последующая обработка его оттуда не извлечёт.
Физика LDO: откуда берётся чистота выхода
Линейный стабилизатор с малым падением напряжения (LDO, Low Dropout) работает принципиально без переключений. Регулирующий элемент (обычно PMOS-транзистор) находится в активном, не насыщенном режиме и ведёт себя как управляемое сопротивление. Петля обратной связи непрерывно сравнивает выходное напряжение с опорным и корректирует сопротивление проходного транзистора. Никаких коммутационных переходов, никаких индуктивных выбросов - только тепловой шум, дробовой шум и шум мерцания внутренних компонентов.
Именно это свойство делает LDO естественным выбором для питания чувствительной аналоговой части. Но "линейный, значит тихий" - упрощение, которое вводит в заблуждение. Собственный шум LDO складывается из нескольких источников. Главный из них - опорный источник напряжения (bandgap reference): он генерирует шум, который усиливается цепью обратной связи и появляется на выходе. Дополнительный вклад вносят резисторы делителя обратной связи и входной каскад усилителя ошибки. У типичного LDO общий интегрированный выходной шум в полосе от 10 Гц до 100 кГц составляет 20-100 мкВ RMS. Лучшие представители класса, например LT3042 и LT3045 от Analog Devices с архитектурой на основе токового источника вместо традиционного источника напряжения, достигают 2 нВ/√Гц спектральной плотности шума при 1 кГц и интегрированного шума менее 1 мкВ RMS в той же полосе.
Снизить собственный шум LDO помогает внешний конденсатор на специальном выводе шумоподавления (NR/SS pin), который формирует RC-фильтр низких частот непосредственно в цепи опорного напряжения. Ёмкость в 10-100 нФ на этом выводе снижает низкочастотный шум мерцания (1/f noise) на 10-20 дБ, что критически важно для медленных прецизионных измерений.
Dropout voltage и где LDO встречает свой предел
Dropout voltage - это минимальная разность между входным и выходным напряжением, при которой LDO ещё удерживает регулирование. Когда входное напряжение падает ниже этого порога, регулятор "выпадает" из режима регулирования и выход следует за входом с небольшим смещением.
У классических стабилизаторов типа LM7805 падение составляло 2-3 В. Современные LDO на PMOS-транзисторах достигают dropout 100-300 мВ при полном токе нагрузки, а ультраминимальные разработки (TPS7A10 от Texas Instruments) опускаются ниже 25 мВ. Это критически важно для батарейных систем: литий-ионный аккумулятор разряжается от 4,2 В до 3,0 В, и если LDO питает схему 3,3 В, его dropout должен укладываться в 0,3-0,4 В, иначе устройство выключится задолго до реального исчерпания ёмкости батареи.
Dropout voltage растёт с током нагрузки, поскольку определяется падением напряжения на проходном транзисторе в режиме насыщения. Кроме того, с ростом тока нагрузки ухудшается и PSRR: петля обратной связи работает медленнее при большем выходном токе, и высокочастотные помехи с входа хуже подавляются. Это означает, что LDO на пределе по току - не лучший выбор для питания АЦП с высоким потреблением.
PSRR: что это число означает на практике
Power Supply Rejection Ratio (PSRR) показывает, насколько хорошо стабилизатор подавляет пульсации и шум на своём входе, не давая им просочиться на выход. Измеряется в децибелах: PSRR 60 дБ означает, что помеха на входе ослабляется в 1000 раз.
Коварство PSRR заключается в его сильной зависимости от частоты. При низких частотах (единицы-десятки герц) хороший LDO демонстрирует PSRR 80-100 дБ: петля обратной связи успевает реагировать и компенсировать возмущение. По мере роста частоты усиление петли падает, и PSRR снижается. На частотах выше 1 МГц полоса петли регулирования LDO уже слишком мала, чтобы обеспечивать подавление шума, и высокочастотное отвержение определяется только выходным конденсатором. Типичная картина: 80 дБ на 100 Гц, 40 дБ на 100 кГц, 20 дБ на 1 МГц.
Это означает, что LDO прекрасно подавляет низкочастотные пульсации от плохо стабилизированного сетевого адаптера, но слабо справляется с высокочастотным шумом импульсного регулятора, работающего на 1-3 МГц. Импульсный преобразователь с переключением на 3 МГц создаёт пульсации именно там, где PSRR большинства LDO уже упал до 20 дБ и ниже, что делает LDO неэффективным фильтром на этих частотах. Знание этого факта меняет подход к проектированию: для подавления высокочастотного шума импульсного регулятора важнее правильный выходной конденсатор LDO, чем высокий паспортный PSRR.
Импульсный регулятор и компромисс между КПД и чистотой выхода
Импульсный (switching) регулятор строится на принципиально иной физике. Ключ коммутирует с частотой сотни килогерц или единицы мегагерц, LC-фильтр усредняет импульсную последовательность до постоянного напряжения. КПД 85-95% - главное достоинство этого подхода. При преобразовании 12 В в 3,3 В импульсный регулятор рассеивает в тепло в 5-10 раз меньше, чем LDO. Для портативных устройств это разница между суточным и недельным сроком работы от одного заряда.
Но каждое переключение ключа - это ступенчатое изменение тока и напряжения, которое порождает широкополосный шум. LDO не содержит коммутирующих элементов и формирует чистый постоянный выходной сигнал при условии, что его входное напряжение тоже чистое, тогда как преимущество импульсного регулятора по КПД неизбежно сопровождается коммутационным шумом. Даже при тщательной оптимизации схемы и трассировки платы на выходе Buck-конвертера всегда присутствует рябь: сотни микровольт или даже единицы милливольт на частоте переключения и её гармониках. Для питания ЦАП с разрешением 24 бит или малошумящего усилителя это недопустимо.
Семейство Silent Switcher от Analog Devices и аналогичные решения LM25xx от Texas Instruments минимизируют шум за счёт оптимизации топологии переключающего контура, встроенных конденсаторов развязки и специальной компоновки кристалла. Третье поколение Silent Switcher объединяет сверхнизкий шум на низких частотах и сверхбыстрый переходный отклик. Тем не менее, даже лучшие импульсные регуляторы не достигают уровня собственного шума хорошего LDO в рабочей полосе прецизионного измерительного тракта.
Гибридная архитектура питания как профессиональный стандарт
Опытные разработчики аналоговых систем давно пришли к выводу, что противопоставление LDO и импульсного регулятора неверно сформулировано. Правильный вопрос звучит иначе: как использовать каждый тип там, где он силён?
Практический стандарт для питания чувствительной аналоговой части выглядит следующим образом. Высокоэффективный импульсный регулятор принимает напряжение от источника питания (батарея, шина 12 В, сетевой адаптер) и преобразует его в промежуточное напряжение с хорошим КПД - например, из 12 В в 5 В. За ним следует LDO, который получает на вход эти 5 В и выдаёт чистые 3,3 В для аналоговой части. Разница в 1,7 В при токе нагрузки 100 мА означает всего 170 мВт тепловых потерь в LDO, что вполне приемлемо. При этом LDO выступает одновременно регулятором и фильтром, подавляя коммутационный шум импульсного регулятора на своём входе.
Эффективность этой стратегии определяется двумя числами: PSRR LDO на частоте переключения импульсного регулятора и собственным выходным шумом LDO. Выбор LDO с хорошим PSRR, но высоким собственным шумом - ошибка: нет смысла подавлять пульсации импульсного регулятора, если LDO добавляет сопоставимый шум из собственных источников. Оба параметра нужно оценивать совместно.
Практический выбор под конкретную задачу
Систематизировать критерии выбора помогает понимание класса задачи. Для питания АЦП и ЦАП с разрешением 16-24 бит, малошумящих усилителей и прецизионных опорных источников напряжения оптимален LDO с интегрированным шумом менее 10 мкВ RMS и PSRR выше 60 дБ на рабочих частотах схемы. Конкретные примеры: LT3042, LT3045, ADP7142. Для RF-цепей и фазовых детекторов критичен PSRR на частотах десятки-сотни мегагерц, что требует специализированных решений с расширенной полосой подавления.
Для цифровых блоков микроконтроллеров, FPGA и процессоров с высоким потреблением импульсный регулятор остаётся единственным разумным выбором: тепловые потери линейного регулятора при токах в несколько ампер становятся неприемлемыми. Граничный ток, выше которого LDO уступает место импульснику по тепловым соображениям, определяется допустимым рассеянием тепла в корпусе и на плате, но в большинстве случаев эта граница находится в районе 200-500 мА при значительной разнице входного и выходного напряжений.
Выбор правильного стабилизатора для аналоговой части - задача, которая начинается не с листа сравнения цен, а с измерения шумового бюджета системы: сколько микровольт шума питания допускает используемый АЦП, какова его чувствительность по цепи питания, на каких частотах сосредоточен шум источника. Тот, кто отвечает на эти вопросы до начала разработки схемы, а не во время отладки прототипа, экономит недели переработки и получает схему, которая работает так, как была рассчитана.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube