La selezione di un LDO a basso rumore e l’adozione di misure per ridurre il rumore interno sono parte integrante della generazione di tensioni di alimentazione prive di componenti alternate. In questo articolo vengono descritte le modalità per ridurre ai minimi termini il rumore prodotto da questi dispositivi.
Un LDO ideale genererebbe una barra di tensione senza componenti AC. Sfortunatamente, gli LDO generano rumore elettrico, come tutti gli altri dispositivi elettronici. La figura 1 mostra come questo rumore si manifesta nel dominio del tempo.
L’analisi nel dominio del tempo è difficile, tuttavia esistono altri due modi per esaminare il rumore: attraverso la frequenza e come valore integrato.
Per identificare le componenti AC all’uscita di un LDO è possibile utilizzare un analizzatore di spettro. Informazioni più approfondite su come misurare il rumore prodotto da questi dispositivo sono contenute nell’articolo “Come misurare il rumore LDO“.
La Figura 2 evidenzia il rumore di uscita generato da un dispositivo TPS7A94, un LDO a basso rumore da 1 A:
Come si può notare dalle varie curve, il rumore di uscita, espresso in μV/√Hz, è concentrato all’estremità inferiore dello spettro di frequenza. Questo rumore proviene principalmente dalla tensione di riferimento interna, ma anche da altri stadi del dispositivo come l’amplificatore di errore, il MOSFET e il divisore resistivo.
È utile esaminare il rumore di uscita attraverso la frequenza quando si determina il profilo di rumore per l’intervallo di frequenza che interessa. Ad esempio, i progettisti di applicazioni audio si concentrano sulle frequenze udibili (da 20 Hz a 20 kHz circa) in cui il rumore dell’alimentazione potrebbe degradare la qualità del suono.
Le schede tecniche forniscono comunemente un unico valore di rumore senza riferimento alla frequenza. Il rumore di uscita è spesso riferito a frequenze comprese tra 10 Hz a 100 kHz ed è rappresentato in microvolt RMS (μVRMS), valore reale medio; solo alcuni produttori di semiconduttori indicano il valore all’interno di un intervallo di frequenza personalizzato. L’integrazione su un intervallo di frequenza selezionato può aiutare a mascherare le proprietà di rumore poco lusinghiere, è importante quindi esaminare le curve di rumore oltre al valore fornito. La figura 2 mostra i valori di rumore che corrispondono alle varie curve. Texas Instruments offre un portafoglio di LDO i cui valori di rumore arrivano fino ad un massimo di 0,47 μVRMS .
Riduzione del rumore
Oltre a selezionare un LDO a basso rumore, è possibile impiegare ulteriori tecniche per la riduzione del rumore, come quelle che comportano l’uso di condensatori per la riduzione del rumore e feed-forward, descritte nell’articolo “Nozioni di base sull’LDO: rumore: come un condensatore feed-forward migliora le prestazioni del sistema“.
Condensatori di riduzione del rumore
Molti LDO a basso rumore nel portafoglio di TI hanno un pin speciale denominato “NR/SS”. La figura 3 mostra una topologia comune utilizzata per implementare la funzione di riduzione del rumore.
La funzione di questo pin è duplice. Viene utilizzato per filtrare il rumore proveniente dal riferimento di tensione interno e per rallentare lo slew rate durante l’avvio o l’abilitazione dell’LDO.
L’aggiunta di un condensatore a questo pin (CNR/SS) forma un filtro resistore-condensatore (RC) con resistenza interna, aiutando a ridurre il rumore indesiderato generato dal riferimento di tensione. Poiché il riferimento di tensione è il principale fattore che contribuisce al rumore, l’aumento della capacità aiuta a spingere la frequenza di taglio del filtro passa basso a frequenze più basse. La Figura 4 mostra l’effetto di questo condensatore sul rumore di uscita.
Come mostra la Figura 4, un valore maggiore di CNR/SS produce valori di rumore migliori. Ad un certo punto, aumentando la capacità non si riduce più il rumore. Il rumore rimanente proviene dall’amplificatore di errore, dal FET, ecc.
L’aggiunta di un condensatore introduce anche un ritardo durante l’avvio, che fa sì che la tensione di uscita aumenti a una velocità inferiore. Ciò è vantaggioso quando esiste una capacità verso massa all’uscita o sul carico ed è necessario mitigare la corrente di spunto.
L’equazione 1 esprime la corrente di spunto come:
Per ridurre la corrente di spunto, è necessario ridurre la capacità di uscita o ridurre lo slew rate. Fortunatamente, un CNR/SS aiuta a raggiungere questa tale risultato, come mostra la Figura 5 per il TPS7A85.
Come si vede, l’aumento dei valori CNR/SS comporta tempi di avvio più lunghi, prevenendo elevati picchi di corrente di uscita. Bisogna tuttavia ricordare che alcuni LDO, pur disponendo di un pin NR, non implementano una funzione di soft-start ma funzionano sempre con un avvio rapido, anche se vengono utilizzati condensatori per la riduzione del rumore di elevato valore.
In conclusione, l’uso di un CNR/SS presenta due vantaggi: consente di controllare la velocità di risposta in uscita e ridurre il rumore generato. Per ulteriori informazioni sulla progettazione con LDO, sono disponibili numerosi articoli della serie LDO Basics, i video “LDO Basics” e la guida di riferimento rapido dei più diffusi LDO per un’ampia varietà di applicazioni, tra cui elettronica industriale, personale, di comunicazione e per il settore automobilistico.
Come l’uso di un condensatore feed-forward migliora le prestazioni del sistema
Oltre all’utilizzo di un condensatore CNR/SS per ridurre il rumore di uscita, è possibile impiegare un condensatore feed-forward (CFF). Un condensatore feed-forward è un condensatore opzionale posto in parallelo con il resistore superiore del partitore resistivo come mostrato in Figura 6.
Proprio come il condensatore di riduzione del rumore (CNR/SS), l’aggiunta di un condensatore feed-forward ha molteplici effetti. Questi effetti includono il miglioramento del rumore, della stabilità, della risposta al carico e del rapporto di reiezione dell’alimentazione (PSRR). L’articolo “Pro e contro dell’utilizzo di un condensatore feed-forward con un regolatore a bassa caduta di tensione“, illustra tutti i vantaggi. Vale anche la pena notare che un condensatore feed-forward è utilizzabile solo quando si impiega un LDO regolabile perché la rete di resistori è esterna.
Rumore migliorato
Come parte del circuito di controllo della regolazione della tensione, l’amplificatore di errore dell’LDO utilizza la rete di resistori (R1 e R2) per aumentare il guadagno della tensione di riferimento, in modo simile a un circuito amplificatore non invertente che pilota il gate del transistor MOSFET in modo che VOUT = VREF × (1 + R1 /R2). Questo significa che la tensione continua di riferimento verrà aumentata di un fattore di 1 + R1 /R2. Tuttavia, all’interno della larghezza di banda dell’amplificatore di errore, vengono aumentati anche gli elementi AC (come il rumore) della tensione di riferimento.
Aggiungendo un condensatore attraverso il resistore superiore (CFF), si introduce uno shunt AC per una particolare gamma di frequenze. In altre parole, si mantengono gli elementi AC di quell’intervallo di frequenza all’interno del guadagno unitario. Questo intervallo di frequenza dipende dal valore del condensatore utilizzato.
La figura 7 illustra la riduzione del rumore nel TPS7A91 utilizzando diversi valori di CFF .
Ad esempio, aggiungendo un condensatore da 100 nF attraverso il resistore superiore, è possibile ridurre il rumore da 9 μVRMS a 4,9 μVRMS .
Stabilità migliorata e risposta ai transitori
L’aggiunta di un CFF introduce anche uno zero (ZFF ) e un polo (PFF ) nell’anello di retroazione LDO, calcolato con le equazioni 1 e 2:
ZFF = 1 / (2 × π × R1 × CFF ) (1)
PFF = 1 / (2 × π × R1 // R2 × CFF ) (2)
Posizionare lo zero prima della frequenza in cui si verifica il guadagno di 0 dB, sii migliora il phase margin, come mostrato nella Figura 8.
Senza ZFF, il guadagno unitario si verificherebbe prima, a circa 200 kHz. Aggiungendo lo zero, la frequenza di guadagno unitario si sposta leggermente a destra a circa 300 kHz, ma migliora anche il margine di fase. Poiché PFF si trova a destra della frequenza di guadagno unitario, il suo effetto sul margine di fase sarà minimo.
Il margine di fase aggiuntivo sarà evidente nella migliore risposta ai transitori di carico dell’LDO. Aggiungendo il margine di fase, l’uscita LDO si stabilizzerà più rapidamente.
PSRR migliorato
A seconda del posizionamento dello zero e del polo, è possibile anche ridurre strategicamente il rolloff del guadagno. La Figura 9 mostra l’effetto dello zero sull’attenuazione del guadagno a partire da 100 kHz. Aumentando il guadagno nella banda di frequenza, si migliora la risposta del loop per quella banda, il che porterà a miglioramenti nel PSRR per quella particolare gamma di frequenza.
Come si vede, l’aumento della capacità CFF spinge lo zero verso sinistra, il che porterà a una migliore risposta del circuito e del corrispondente PSRR a un intervallo di frequenza inferiore.
Ovviamente è necessario scegliere il valore di CFF e il corrispondente posizionamento di ZFF e PFF per evitare di introdurre instabilità. È possibile prevenire l’instabilità seguendo i limiti CFF prescritti nella scheda tecnica, sebbene Texas Instruments raccomandi generalmente di selezionare un valore compreso tra 10 nF e 100 nF. Un grande CFF può introdurre altre sfide delineate nel rapporto sull’applicazione pro e contro menzionato in precedenza.
La tabella 1 elenca alcune regole pratiche relative a come CNR e CFF influiscono sul rumore.
Conclusione
L’aggiunta di un condensatore feed-forward può portare a miglioramenti in termini di rumore, stabilità, risposta al carico e PSRR. Naturalmente, è necessario selezionare attentamente il condensatore per mantenere la stabilità. Se accoppiato con un condensatore di riduzione del rumore, diventa possibile migliorare notevolmente anche le prestazioni AC.
Risorse addizionali
Texas Instruments mette a disposizione dei progettisti numerose risorse su questo argomento:
- Articoli di base sugli LDO su argomenti come termiche, condensatore e capacità e prevenzione della corrente inversa
- Video della serie LDO Basics
- Articolo dell’Analog Applications Journal LDO Noise Examined in Detail
- Guida di riferimento rapido dei regolatori a basso dropout
- White paper Come misurare il rumore LDO
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