Прецизионный аналоговый узел живет в враждебном окружении. Импульсные преобразователи гудят на десятках килогерц, силовые цепи плюются коммутационными выбросами, сетевые пульсации просачиваются через выпрямители. Всего несколько милливольт переменной составляющей на шине питания способны похоронить 16-битный АЦП или заставить синтезатор частоты генерировать боковые лепестки спектра. Линейный стабилизатор - последний рубеж обороны между грязным питанием и чувствительной схемой. Насколько эффективно он подавляет помехи, определяет параметр PSRR - коэффициент подавления пульсаций источника питания.
Типовой интегральный LDO-стабилизатор обеспечивает PSRR порядка 60-80 дБ на частоте 100 Гц. Звучит солидно - подавление в тысячу раз. Но стоит частоте вырасти до 10 кГц, как PSRR проседает до 40-50 дБ. На 100 кГц остается жалкие 20-30 дБ. Виноваты внутренние емкости микросхемы, ограниченная полоса пропускания усилителя ошибки, паразитные связи через подложку кристалла. Для питания высокочастотных узлов - быстрых компараторов, радиочастотных смесителей, прецизионных опорных источников - этого недостаточно. Нужны схемы с PSRR выше 100 дБ во всем диапазоне от постоянного тока до мегагерц.
Архитектура линейного стабилизатора
Любой компенсационный стабилизатор состоит из четырех функциональных блоков. Источник опорного напряжения создает эталон - стабильное напряжение, не зависящее от температуры и питания. Делитель обратной связи снимает часть выходного напряжения. Усилитель ошибки сравнивает напряжение с делителя и опорное, вырабатывая управляющий сигнал. Проходной элемент - регулируемое сопротивление между входом и выходом, которое подстраивается так, чтобы свести ошибку к нулю.
Выходное напряжение определяется соотношением резисторов делителя:
Uвых = Uоп × (1 + R1/R2)
где Uоп - напряжение источника опорного напряжения, R1 и R2 - резисторы делителя обратной связи.
Коэффициент подавления пульсаций входного напряжения вычисляется как отношение изменения входного напряжения к соответствующему изменению выходного:
PSRR = 20 × log(ΔUвх / ΔUвых)
Чем выше PSRR, тем лучше стабилизатор фильтрует помехи. Значение 80 дБ означает подавление в 10000 раз - пульсация 1 В на входе превратится в 0.1 мВ на выходе.
Ключевую роль играет усилитель ошибки. Его коэффициент усиления напрямую влияет на качество стабилизации. При бесконечно большом усилении выходное напряжение точно равно заданному формулой значению. Реальный усилитель имеет конечное усиление, что вносит погрешность. Операционный усилитель с коэффициентом 100000 дает нестабильность выходного напряжения менее 0.001% - вполне приемлемо для большинства применений.
Проходной транзистор и его влияние на PSRR
В классических стабилизаторах типа 7805 или LM317 проходным элементом служит биполярный транзистор, часто в составе схемы Дарлингтона. Минимальное падение напряжения на таком регуляторе составляет 2-3 В - слишком много для современных низковольтных систем. Полевой транзистор с изолированным затвором решает эту проблему.
MOSFET в открытом состоянии представляет собой резистор с сопротивлением от единиц до десятков миллиом. При токе нагрузки 1 А и сопротивлении канала 50 мОм падение составит всего 50 мВ. Стабилизатор может работать при разнице входного и выходного напряжений менее 200 мВ - настоящий low-dropout регулятор.
Сопротивление открытого канала MOSFET описывается формулой:
Rканал = 1 / (μn × Cox × (W/L) × (Vзи - Vпор))
где μn - подвижность носителей, Cox - удельная емкость затвора, W/L - отношение ширины канала к длине, Vзи - напряжение затвор-исток, Vпор - пороговое напряжение.
Для уменьшения сопротивления производители делают канал широким - геометрическое отношение W/L достигает тысяч. Но широкий канал означает большую площадь затвора, а значит, огромную емкость. Входная емкость мощного MOSFET может превышать 1000 пФ. Эта емкость нагружает выход усилителя ошибки, ограничивает скорость нарастания управляющего напряжения, сужает полосу петли обратной связи.
Частотная характеристика PSRR определяется полосой пропускания усилителя ошибки и петли обратной связи в целом. На низких частотах большое усиление эффективно подавляет пульсации. При росте частоты усиление падает, PSRR снижается. Граничная частота, на которой PSRR проседает на 3 дБ, обычно лежит в диапазоне 1-100 кГц.
Схема с операционным усилителем и TL431
Простейший дискретный стабилизатор можно построить на операционном усилителе, управляющем затвором MOSFET. Операционник включается неинвертирующим усилителем, опорное напряжение подается на неинвертирующий вход, часть выходного напряжения через делитель - на инвертирующий. Выход ОУ соединен с затвором полевого транзистора.
Проблема в том, что большинство ОУ питаются от того же напряжения, которое стабилизируется. Пульсации на входе стабилизатора проникают в питание операционника, модулируют его выходное напряжение, частично передаются на затвор транзистора. PSRR такой схемы ограничен собственным PSRR операционного усилителя - типично 60-80 дБ.
Более изящное решение - применение программируемого стабилитрона TL431. Этот трехвыводной прибор работает как прецизионный компаратор напряжения с встроенным источником опорного напряжения 2.5 В. При подаче на управляющий вход напряжения выше опорного TL431 открывается и шунтирует свой вход, при меньшем - закрывается.
В схеме стабилизатора TL431 включен между затвором MOSFET и общим проводом. Резистивный делитель с выхода подает часть напряжения на вход TL431. Если выходное напряжение растет, TL431 приоткрывается, стягивает затвор MOSFET к минусу, транзистор призакрывается, напряжение падает. Обратная связь работает, стабилизируя выход.
Выходное напряжение такого стабилизатора:
Uвых = 2.5 × (1 + R1/R2)
Преимущество схемы - TL431 может питаться от выходного напряжения стабилизатора. Пульсации входа не влияют на его работу напрямую. PSRR определяется параметрами самой микросхемы TL431 и составляет 80-100 дБ на низких частотах.
Недостаток - для управления затвором MOSFET нужно поднять потенциал затвора выше выходного напряжения на величину порогового напряжения плюс запас. В схемах с низким выходным напряжением (3.3 В, 5 В) приходится применять вспомогательный источник повышенного напряжения для питания затвора. Либо использовать p-канальные MOSFET, подключенные между входом и выходом, управляя затвором отрицательным напряжением относительно входа.
Многокаскадное усиление для экстремального PSRR
Современные малошумящие стабилизаторы с рекордным PSRR используют многокаскадные усилители ошибки. Первый каскад - дифференциальная пара на биполярных или JFET-транзисторах с активной нагрузкой. Второй - промежуточный усилитель напряжения. Третий - выходной буфер, способный раскачать емкость затвора мощного MOSFET.
Общее усиление такого тракта может достигать миллиона (120 дБ). Петля обратной связи глубокая, подавление ошибки рассогласования почти идеальное. Выходное напряжение отслеживает опорное с точностью до микровольт.
Частотная коррекция петли обратной связи осуществляется емкостью, подключенной между выходом промежуточного каскада и землей. Эта емкость создает полюс передаточной функции, снижающий усиление на высоких частотах и обеспечивающий запас по фазе. Без коррекции многокаскадный усилитель с глубокой ООС превращается в генератор.
Типичная передаточная функция усилителя ошибки с коррекцией имеет вид:
K(f) = K0 / (1 + j × f / fp)
где K0 - усиление на постоянном токе, fp - частота полюса.
Частоту полюса выбирают так, чтобы на частоте единичного усиления фазовый сдвиг не превышал 135 градусов - остается запас 45 градусов до границы самовозбуждения. Практически это означает, что единственный доминантный полюс должен обеспечить спад 20 дБ на декаду задолго до частоты, где усиление станет единичным.
Проблема такой коррекции - замедление переходных процессов. Стабилизатор с полосой петли 10 кГц не успевает отреагировать на скачок нагрузки за десятки микросекунд. Выходное напряжение провисает или выбрасывается, пока петля не отработает возмущение. Для улучшения динамики применяют компенсацию нуля - добавляют резистор последовательно с корректирующей емкостью. Это создает ноль передаточной функции на средних частотах, частично компенсируя спад от полюса, расширяя полосу.
Влияние выходного конденсатора
Любой линейный стабилизатор требует выходного конденсатора - обычно десятки или сотни микрофарад. Этот конденсатор служит двум целям. Во-первых, он фильтрует высокочастотные помехи, которые проскакивают через стабилизатор. Во-вторых, он поддерживает напряжение при кратковременных бросках тока нагрузки.
Но выходной конденсатор создает дополнительный полюс в петле обратной связи на частоте:
fполюса = 1 / (2π × Rвых × Cвых)
где Rвых - выходное сопротивление стабилизатора (сопротивление открытого MOSFET плюс динамическое сопротивление петли ООС), Cвых - емкость выходного конденсатора.
Для стабилизатора с выходным сопротивлением 0.1 Ом и конденсатором 100 мкФ полюс окажется на частоте 16 кГц. Если частота доминантного полюса усилителя ошибки лежит ниже - проблем нет. Но если они близки, возникает участок с наклоном 40 дБ на декаду, запас по фазе исчезает, схема может самовозбудиться.
Традиционное решение - использовать алюминиевые электролитические конденсаторы с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) порядка 0.5-2 Ом. ESR создает ноль в передаточной функции, компенсирующий полюс от емкости. Схема остается устойчивой.
Современная тенденция - применение керамических конденсаторов с ESR менее 10 мОм. Они компактнее, надежнее, работают при более высоких температурах. Но их ничтожное ESR не создает стабилизирующего нуля. Стабилизаторы, рассчитанные на электролиты, теряют устойчивость с керамикой.
Новое поколение LDO-стабилизаторов проектируется специально для работы с керамическими конденсаторами. В схему усилителя ошибки вводят дополнительную цепь коррекции, создающую ноль на нужной частоте независимо от ESR нагрузочного конденсатора. Такие регуляторы стабильны с емкостями от 1 мкФ и выше при любом типе конденсатора.
Шумы и их источники
PSRR характеризует подавление помех, приходящих с входа. Но стабилизатор сам генерирует шумы, которые попадают на выход. Различают несколько источников.
Опорное напряжение на стабилитроне или bandgap-источнике имеет собственный шум. Для кремниевого стабилитрона шум составляет единицы микровольт на корень из герца спектральной плотности. Прецизионные bandgap-источники дают десятые доли микровольта. Этот шум усиливается коэффициентом делителя обратной связи и появляется на выходе.
Усилитель ошибки вносит свой шум - тепловой шум входных транзисторов, дробовой шум токов. Для биполярных входов типичная спектральная плотность шума напряжения - единицы нановольт на корень из герца. JFET-входы шумят меньше на низких частотах, но имеют подъем шума на высоких из-за емкости затвора.
Проходной MOSFET тоже шумит. Тепловой шум канала описывается формулой:
Vш² = 4 × k × T × (2/3) × (1/gm) × Δf
где k - постоянная Больцмана, T - температура, gm - крутизна транзистора, Δf - полоса частот.
Крутизна MOSFET в линейном режиме пропорциональна току стока. Чем больше ток, тем меньше шум. Но увеличение тока означает большее энергопотребление и больший нагрев. Приходится искать баланс.
Интегральный шум выходного напряжения - среднеквадратичное значение во всей полосе от постоянного тока до верхней граничной частоты - для хороших LDO-стабилизаторов составляет единицы микровольт. Рекордные образцы типа LT3042 демонстрируют 0.8 мкВ при полосе 10 Гц - 100 кГц. Это достигается применением сверхмалошумящего опорного источника, JFET-входа усилителя ошибки, оптимизацией рабочих токов.
Практическая реализация и подводные камни
При построении дискретного стабилизатора на MOSFET важна каждая деталь. Топология печатной платы влияет на шумы и устойчивость не меньше, чем выбор компонентов.
Опорное напряжение должно фильтроваться RC-цепочкой от пульсаций питания. Резистор 1-10 кОм последовательно со стабилитроном, конденсатор 10-100 мкФ параллельно стабилитрону. Эта цепь создает фильтр нижних частот с частотой среза единицы - десятки герц. Высокочастотные помехи не проникают в опорный узел.
Делитель обратной связи не должен шунтироваться паразитными емкостями. Сопротивления резисторов выбирают в диапазоне 1-100 кОм - достаточно малые, чтобы входной ток усилителя ошибки не вносил погрешность, но достаточно большие, чтобы минимизировать потери энергии. Ток через делитель типично 10-100 мкА.
Выходной конденсатор должен располагаться максимально близко к выходу стабилизатора. Индуктивность проводников между конденсатором и выходным разъемом создает паразитный резонанс, который может возбудить генерацию. Короткие толстые дорожки, несколько конденсаторов параллельно, керамика малой емкости для высоких частот плюс электролит большой емкости для низких - стандартный набор.
Заземление критично. Общий провод от выходного конденсатора должен идти напрямую к нижнему плечу делителя обратной связи. Только оттуда общий провод соединяется с силовой землей. Такая топология называется звездой - все токи схемы сходятся в одной точке. Если пустить ток нагрузки через общий провод делителя, падение напряжения на сопротивлении проводника внесет ошибку в обратную связь, испортит стабильность.
Термостабильность - отдельная тема. MOSFET греется, его пороговое напряжение снижается примерно на 2-5 мВ на градус. При постоянном напряжении на затворе ток стока растет с температурой - положительная обратная связь. В схеме стабилизатора петля ООС компенсирует этот дрейф, но до определенного предела. Если MOSFET нагреется до 150 градусов, он может выйти из строя.
Для мощных стабилизаторов (токи выше 1 А) необходим радиатор. Рассеиваемая мощность равна произведению падения напряжения на ток:
P = (Uвх - Uвых) × Iнагр
При входном напряжении 12 В, выходном 5 В и токе 3 А рассеивается 21 Вт. Температура кристалла при тепловом сопротивлении корпус-радиатор 2 градуса на ватт вырастет на 42 градуса относительно радиатора. Если радиатор нагрет до 60 градусов, кристалл будет иметь 102 градуса - приемлемо. Без радиатора кристалл мгновенно перегреется и сгорит.
Измерение PSRR и его особенности
Измерить PSRR не так просто, как кажется. Нужно подать на вход стабилизатора переменное напряжение малой амплитуды, измерить амплитуду на выходе, вычислить отношение. Проблема - на частоте 100 Гц при PSRR 80 дБ входная помеха 100 мВ превратится в 10 мкВ на выходе. Измерить 10 микровольт на фоне постоянного напряжения 5 В и собственных шумов стабилизатора сложно.
Используют линейный вольтодобавочный трансформатор - устройство, которое суммирует постоянное напряжение источника питания и переменное напряжение генератора без гальванической связи. Трансформатор вносит минимальные искажения, не влияет на работу стабилизатора.
Выходной сигнал измеряют селективным вольтметром или анализатором спектра с узкой полосой фильтра. Это позволяет выделить помеху на фоне шумов. Пробник должен иметь малую емкость и высокий динамический диапазон. Пассивный пробник 10:1 ослабляет сигнал в 10 раз, ухудшая соотношение сигнал/шум. Активный пробник 1:1 с входным сопротивлением мегаомы и входной емкостью единицы пикофарад - оптимальный выбор.
Частотную характеристику PSRR снимают, варьируя частоту генератора от 10 Гц до 1 МГц и записывая результаты. Получается график - на низких частотах PSRR максимален и почти не меняется, на средних плавно падает, на высоких стремится к нулю. Типичная скорость спада - 20 дБ на декаду после граничной частоты.
Области применения сверхчистых источников
Линейные стабилизаторы с PSRR выше 100 дБ находят применение там, где каждый лишний милливольт помехи критичен. Прецизионные АЦП разрядностью 18-24 бита требуют опорного напряжения с шумом менее микровольта. Иначе младшие разряды тонут в помехах, реальная точность оказывается на уровне 12-14 бит.
Синтезаторы частоты с фазовой автоподстройкой (PLL) чувствительны к пульсациям питания управляемого генератора (VCO). Помеха на шине питания модулирует частоту генерации, создает боковые компоненты спектра - спуры. В приемопередатчиках сотовой связи спуры должны быть подавлены до уровня -70 дБ относительно несущей. Достичь этого можно только с очень чистым питанием VCO.
Датчики - тензометрические, термопары, фотодиоды - выдают сигналы микровольтного и милливольтного уровня. Усилитель этого сигнала должен иметь низкий собственный шум и питаться от стабильного источника. Пульсации питания проникают в выходной сигнал через конечный PSRR усилителя, маскируют полезный сигнал.
Аудиоаппаратура высокого класса использует линейные стабилизаторы для питания аналоговых цепей. Импульсные преобразователи, как бы хорошо они ни были экранированы, вносят помехи в звуковой тракт. Аудиофилы слышат разницу между питанием от линейного стабилизатора и от импульсного - или утверждают, что слышат. Производители идут навстречу, устанавливая массивные тороидальные трансформаторы и батареи конденсаторов, за которыми следуют линейные регуляторы на дискретных компонентах.
Лабораторные источники питания для тестирования и отладки электроники требуют регулировки напряжения от долей вольта до десятков вольт при токах до нескольких ампер. Линейная архитектура проще импульсной, не создает коммутационных помех, не излучает электромагнитные поля. MOSFET как проходной элемент позволяет минимизировать падение напряжения, расширить диапазон регулировки.
Выбор между линейным и импульсным стабилизатором - всегда компромисс. Импульсный эффективнее, меньше греется, легче и компактнее. Линейный чище, тише, предсказуемее. В системах распределения питания используют оба типа - импульсный преобразователь создает промежуточное напряжение с высоким КПД, линейный пострегулятор доводит качество до нужного уровня. Потери на линейном каскаде минимальны, поскольку падение невелико, зато PSRR суммируется - 60 дБ импульсного плюс 80 дБ линейного дают 140 дБ общего подавления. Такой уровень недостижим ни для одного из типов по отдельности.
Полевые транзисторы прошли путь от дискретных приборов в металлических корпусах до микроскопических структур на кристаллах интегральных схем. Сопротивление канала упало с ом до миллиом, пороговое напряжение снизилось с вольт до сотен милливольт. Современные LDO-регуляторы могут работать при разнице входного и выходного напряжений менее 100 мВ, обеспечивая PSRR свыше 100 дБ и шум на уровне микровольта. Понимание физики процессов, грамотное проектирование петли обратной связи, аккуратная разводка платы превращают горстку компонентов в прецизионный инструмент. Чистое питание - фундамент, на котором строится любая серьезная аналоговая схема.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube