Jste zde

Lineární stabilizátory – ano nebo jo?

Jan Robenek, 2. Červen 2010 - 7:23

Jak dalece dokáže odbytý návrh napájecího zdroje ovlivnit parametry celého systému a co proto máme dělat názorně vysvětlujeme překladem článku Using Power to Improve Signal-Path Performance, který původně napsal aplikační inženýr Bob Nguyen.

Je známo, a nikoho to ani nepřekvapuje, že vývojáři hardwarových systémů věnují pečlivou pozornost výběru nejlepší možné signálové trasy s analogovými integrovanými obvody, osazenými v mnohdy naprosto jedinečných aplikacích. Ať už se jedná o návrh spotřebního přehrávače pro soubory MP3 nebo špičkového ultrazvukového zařízení pro lékařské účely, musíme vždy najít vhodné kompromisy a zbytečně přitom neobětovat dosahované technické parametry. Po nezbytném posouzení a stanovení priorit v otázce

odstupu užitečného signálu od šumu (Signal-to-Noise Ratio, SNR),
rozlišení (Resolution),
celkového harmonického zkreslení (Total Harmonic Distortion, THD),
vstupního napěťového offsetu (Input Offset Voltage),
rychlosti přeběhu (Slew Rate),
jitteru (Jitter) nebo také
odběru z napájecího zdroje (Supply Current),

můžeme konečně přistoupit k výběru konkrétního řešení signálové cesty s analogovými integrovanými obvody. Pokud svou práci odvedeme na výbornou, mohou se uživatelé těšit na nejlepší možné audio – vizuální prožitky a nejen to.

Obr. 1: Návrh napájecího zdroje ovlivňuje vlastnosti signálové trasy s integrovanými obvody

Každý z integrovaných obvodů, osazených v signálové trase, vyžaduje ke své činnosti „čisté“ napájení. V praxi přitom bývá management napájecích zdrojů často až tou poslední částí celého systémového návrhu. Příklad typického systému, včetně nezbytného napájení signálové trasy, vidíme na obr. 1. Rozhodně se na tomto místě již nemůžeme podivovat nad tím, že napájecí zdroje ovlivňují povahu analogových signálů, která bude mít dříve či později vliv na dosahované vlastnosti celého systému. Jednoduchým způsobem, kterak zlepšit parametry signálové trasy, se přitom jeví výběr vhodného napájecího zdroje. Při jeho kvalifikované volbě nás proto bude v prvé řadě zajímat

šum, resp. přítomné rušení (Noise) a také
zvlnění (Ripple).

Šum nebo zvlnění napájecího zdroje se rádo váže na výstupy operačních zesilovačů, nestydí se zvyšovat jitter smyček fázového závěsu (Phase-Locked Loop, PLL) nebo napěťově řízených oscilátorů (Voltage-Controlled Oscillator, VCO), případně také s oblibou degraduje odstup užitečného signálu od šumu (SNR) u A/D převodníků. Podaří – li se nám však rušení včetně přítomného zvlnění napájecího napětí minimalizovat, příznivě tím ovlivníme dosahované parametry.

LP5900 – příklad nízkošumového lineárního stabilizátoru National Semiconductor s výstupní zatížitelností 100 mA

Zmíněné neřesti napájecích zdrojů mohou mít několik příčin. Tak třeba

vysokorychlostní data nebo
vysokofrekvenční signály

samotného systému, vytvářející rušení. Důvodem pro toto tvrzení bývají „cestičky“ na motivu plošného spoje nebo samotná kabeláž, chovající se jako anténa, pakliže ji to ovšem dovolíme. Pak zde máme číslicové integrované obvody, např.

mikrokontroléry,
FPGA (Field Programmable Gate Arrays) nebo také
CPLD (Complex Programmable Logic Devices)

s rychlými hranami, generujícími různé velikosti proudů na časové ose spolu s nepříjemnými elektromagnetickými interferencemi (Electromagnetic Interference, EMI). Křemíkové čipy zase produkují

tepelný šum,

způsobený nahodilým pohybem a také srážkami molekul při teplotách nad absolutní nulou.

Aby měl tento článek praktickou hodnotu, budeme definovat tři běžné způsoby, kterými na signálových trasách potlačíme nežádoucí zvlnění i šumy. Jedná se o

pečlivý návrh layoutu (rozvržení) plošného spoje,
náležité blokování napájecího napětí a
volbu vhodného napájecího zdroje.

Ikdyž to bude z velké části záviset na samotném systému, nesmíme při návrhu motivu plošného spoje zapomenout na

náležité rozmístění součástek,
minimalizaci délky signálových cest a také
solidní zem.

Blokování napájecích větví se již stalo zcela běžnou praxí. Datasheety analogových integrovaných obvodů dokonce přímo doporučují vhodné prvky, filtrující rušení, i jejich velikosti. Pokud si chceme užít ještě větší „zábavu“, máme k dispozici struktury s oddělenými napájecími piny pro analogovou část, digitální část i PLL. Každý ze vstupů má přitom doporučeno vlastní specifické blokování, přičemž nejcitlivěji na vzniklá rušení reagují právě zmíněné analogové části nebo bloky s fázovým závěsem (PLL). Nejrůznější šumy včetně zvlnění na rozvodech napájecího napětí dokážeme potlačit

blokovacími kondenzátory,
RC filtry, složenými z rezistorů a kondenzátorů nebo také
speciálními filtry, potlačujícími elektromagnetické interference (EMI).

LMP7711 a LMP7712 – příklady nízkošumových precizních zesilovačů National Semiconductor

Vhodně zvolený napájecí zdroj snižuje šumy i zvlnění, vnášené do signálové cesty. Při výběru se přitom musíme nejprve rozhodovat mezi

spínanými měniči (Switching Converter) a
lineárními stabilizátory (Linear Regulator).

Nespornou výhodou spínaných měničů bývá jejich vyšší účinnost, která se zákonitě musí odrazit na menších výkonových ztrátách celého systému. Lineární stabilizátory zase nabídnou jednodušší řešení, které na svých výstupních větvích ještě výrazně podtrhnou sníženým šumem i zvlněním. Pokud se tedy budeme chtít na signálové trase maximálně oprostit od nežádoucích rušivých projevů, sáhneme pro lineárních stabilizátorech.

Obr. 2: Pod pojmem Power Supply Rejection Ratio (PSRR) rozumíme úroveň, vyjadřující jak hodně dokážeme utlumit zvlnění nebo také šumy při jejich přechodu ze vstupu na výstup.

V analogové technice se u integrovaných obvodů setkáváme s přesným vymezením toho, jak daná součástka potlačí šum, rušení a také zvlnění, přítomné na napájecích linkách. Parametr se nazývá

Power Supply Rejection Ratio,

což běžně zkracujeme na PSRR (viz také obr. 2).

Ve skutečnosti se přitom nejedná o nic jiného, než o poměr rušení nebo také zvlnění, vstupujícího do dané součástky, vůči stejným neřestem, které následně budou součástku opouštět. Celá nádhera se vyjadřuje v decibelech (dB) a pokud si přejete matematický zápis, předkládáme Vám následující definici:

V1 přitom reprezentuje změnu vstupního a V2 změnu výstupního napětí.

LP3996 – příklad dvojitého lineárního stabilizátoru National Semiconductor s výstupními proudy 300 mA a 150 mA a funkcí Power-On-Reset

V praxi se však u různých výrobců můžeme setkat buď se zlomkem V1/V2 nebo také V2/V1. Nemělo by nás proto překvapit, dostaneme – li výsledek s opačným znaménkem. Abychom tedy předešli zmatkům, budeme raději pracovat s absolutní hodnotou. Jako vývojáři potřebujeme, pokud možno, co nejvyšší absolutní hodnotu PSRR, která bude přirozeně souviset s minimálním zarušením, resp. zvlněním výstupu. Pro názornost proto uvedeme klasický učebnicový příklad:

80 dB znamená, že výstupní zvlnění bude 10 000 x menší než zvlnění na vstupu. Je to rozhodně mnohem lepší než
20 dB, které nám říkají, že výstupní zvlnění bude jen 10 x menší než zvlnění na vstupu.

Obr. 3: Kmitočtová závislost PSRR u jednoduchého, vysoce precizního operačního zesilovače LMP7711

Na obr. 3 vidíme frekvenční závislost parametru PSRR u precizního operačního zesilovače LMP7711. PSRR zde na 1 kHz dosahuje nějakých 90 dB. V této souvislosti stojí za zmínku dvě věci:

PSRR definujeme pro obě napájecí větve, kladnou i tu zápornou.
S rostoucím kmitočtem přítomného zvlnění začíná PSRR degradovat, tj. klesá jeho absolutní hodnota.

Obr. 4: Kmitočtová závislost PSRR u 100 mA, nízkoúbytkového lineárního stabilizátoru LP5900

Zapojíme – li do napájecí akce pro signálovou trasu lineární stabilizátor, můžeme tím potlačit zvlnění i šum, protože samotný stabilizátor na svém výstupu sám o sobě zmírňuje všechny zmíněné nedostatky. Jako příklad si dovolujeme představit integrovaný obvod LP5900, jinak také 100 mA, nízkošumový LDO s činitelem PSRR, rovným 85 dB (platí pro 1 kHz, viz také obr. 4). Použijeme – li tedy nízkošumový LDO LP5900 k napájení precizního operačního zesilovače LMP2011, snížíme dle obr. 5 nežádoucí superpozice na napájecím napětí. Zvlnění včetně zarušení na 1 kHz se pomocí LDO potlačí o 85 dB, přičemž operační zesilovač navíc ještě zapracuje svých 90 dB!

Obr. 5: Lineární stabilizátory představují z hlediska potlačování nežádoucích produktů dobrou volbu při napájení zesilovačů, umístěných na signálové trase.

Z uvedeného tedy vyplývá, že nasazením lineárních stabilizátorů můžeme jednoduše vylepšit dosahované vlastnosti signálové trasy. Na jejich zapojení není nic složitého a ještě nám k tomu na napájecích rozvodech potlačí spoustu nepříjemného šumu, rušení a také zvlnění.