8.15 Шум источников питания

==578

Схемы усилителей, не имеющие достаточно высокого коэффициента ослабления источника питания ( КОИП ), отлично усиливают шумы ( и сигналы ) этих самых источников. Если питающие шины шумят, то шуметь будет и выход схемы, поэтому о тишине придётся специально позаботиться. Проблема средней степени сложности, потому что шум проникает на выход без усиления, а полезный сигнал усиливается. По сию пору в параметрах источников постоянного тока редко можно встретить цифры шумов на уровне 100 nV/\(\sqrt{Hz}\) ( что, между прочим, в 100 раз больше разумного уровня 1 nV/\(\sqrt{Hz}\) шума входного сигнала ). Это основная причина появления надписи «тихий» рядом с клеммами питания на схемах в этой части книги.

И сколько же шумит типовой лабораторный источник питания? Можно встретить цифры «0.2 mVrms, 2 mVpp», что выглядит достаточно прилично до тех пор, пока не начинаешь вспоминать о уровнях сигналов в чувствительных схемах. Например, уровень шума в звуковой полосе предусилителя с рис. 8.42 в соответствии с формулой \(v_{n(out )}=G_Ve_{n(in )}\sqrt{Δ f}\) составляет всего 1 μVrms , т.е. блок питания шумит на 46 dB громче собственных шумов схемы.

Есть спецификации, а есть реальные параметры. Чтобы оценить общую ситуацию, были обмеряны два десятка источников питания, имеющихся в лаборатории. Результаты этой работы приведены на рис. 8.123 ¹⁴².

Рис.8.123 Не все источники питания созданы равными! Измеренные спектры шума для целого зоопарка блоков питания, имеющихся в лаборатории. Прерывистые линии - ключевые источники, остальные - линейные. В большинстве случаев использовалась нагрузка 100 Ω . Для удобства восприятия из спектров убраны пики сетевой частоты и её гармоники. Их уровень может возвышаться над сглаженным графиком на 5 dB , а может и на 50 dB , как указано в прилагаемой таблице. Дрейф выходного напряжения выглядит на графиках как низкочастотный подъём

Peaka (@ n-60 Hz) Trace Description dBb |jVrmsc 1 SRS785 spectrum analyzer noise floor - - 2 12 V 7Ah sealed lead-acid battery - - 3 same, with matching 120 mA trickle charge - - 4 Power Designs 4010 40 W precision bench linear 54 1.2 5 HP6114A 40 W precision bench linear 39 2 6 Fluke 343 DC voltage calibrator 42 2 7 Analogic AN3100 DC voltage calibrator 51 14 8 Agilent E3630 35W triple bench linear 23 0.6 9 HP6002A 200 W bench linear 50 18 10 Keithley 230 programmable voltage source 33 11 11 HP6612C 40 W bench linear 28 10 12 Agilent E3610 30 W bench linear 12 1.8 13 Cui 9V 20 W desk-wart switcher 40 56 14 Tektronix PS283 75 W triple bench linear 46 70 15 HP66312 40 W bench linear 27 10 16 same, with 33,000uF capacitor across output 26 2.2 17 HP6024A 200 W bench switcher 40 100 18 Jerome RYD313F-001 15W triple desk-wart linear 53 640 19 Corsair VX550W 550 W computer “ATX” switcherd 44 400 20 Leader PS152 70 W triple bench linear 24 15 21 HP6216B 8W bench linear 47 280 22 Apple 10 W “USB Power Adapter” switcher 12 400 23 Cui DV9500 unregulated 9V 500 mA wall-wart 6 - a. Highest amplitude powerline-related tonal ( 60, 120, or 180 Hz). b. In a 1 Hz bandwidth, relative to smoothed baseline at 120 Hz. c. Absolute, filtered with 1 Hz bandwidth. d. While operating in a desktop PC.

Разброс в шумовых параметрах несколько озадачивает - очевидный победитель (#4 ) стал «прецизионным источником питания» полвека назад ( он был куплен в 1967 ), имеет подогреваемую капсулу с опорным стабилитроном и усилитель ошибки на дискретных компонентах. Современный лабораторный источник со стильными цифровыми индикаторам #12 шумит почти в 100 раз ( 40 dB ) больше. Это ещё не всё: настоящим горлопаном стало простое зарядное устройство для сотового телефона (#22 ) и нерегулируемый источник (#23 ), вставляемый в розетку, чей выход удивляет низкочастотным спектром. С другой стороны никто не смог побить параметры аккумуляторной батареи (#3 в зоне шума измерений ). Химические источники - самые лучшие из возможных и в самой своей основе тихие источники постоянного тока ¹⁴³.

Откуда берётся такая большая разница? Шум ключевых источников является врождённым свойством, но даже среди линейных блоков питания наблюдается стократный разброс ( 40 dB ). Тихий регулируемый источник постоянного тока должен иметь достаточный запас по усилению, реализованный на малошумящем усилителе. Критически важно правильно выбирать малошумящий источник опорного напряжения ( особенно важна низкочастотная область, где шум нельзя пригасить фильтром ). См. обсуждение и графики в §9.10 .

8.15.1 Умножитель ёмкости

Очень красивым способом снижения шума источника питания является схема «умножения ёмкости» ( рис. 8.121 ). Она была упомянута в §8.5.9 , где исследовались параметры каскада на биполярном транзисторе с \(e_n\)≈0.07 nV/\(\sqrt{Hz}\) . \(R\) выбирается так, чтобы падение на регулирующем транзисторе составляло не более одного вольта при максимальном токе нагрузки, после чего выбирается \( C \) так, чтобы постоянная времени \(RC\) ослабляла интересующую часть спектра шума. В предусилителе для ленточного микрофона конструкция была расширена до двух секций с постоянной времени ∼2 s . Её можно увидеть на схеме стенда для измерения шумовых параметров на рис. 8.92 . Там постоянная \(RC\) была увеличена, чтобы опустить уровень шума ниже предела чувствительности анализатора спектра.

Рис.8.121 «Умножитель ёмкости» для фильтрации постоянного тока. Состоит из эмиттерного повторителя, управляемого сглаженной ( отфильтрованной ) копией зашумлённого входного напряжения. Ферритовая бусина или небольшой резистор предотвращает генерацию

==579

Отметим, что умножитель ёмкости ухудшает коэффициент стабилизации по постоянному току, потому что обратная связь с выхода отсутствует. Но этот приём хорошо работает, когда узел включается раньше последовательного регулирующего элемента ( т.е. после выпрямителя и накопительного конденсатора ). Эта простая модификация коммерческих источников и научных приборов весьма эффективна, снижает пульсации в 100 раз и очень легко реализуется, в отличие от повышения коэффициента усиления и полосы регулирования в цепи обратной связи. В процессе подобных модификаций следует убедиться, что падение напряжения на транзисторе достаточно велико, чтобы скомпенсировать полный размах пульсаций. В блоках питания пульсации на частоте сети ( 120 Hz или 100 Hz ) при полной нагрузке могут составлять несколько вольт. Чтобы увеличить падение напряжения на транзисторе надо добавить резистор между базой и землёй, или можно взять МОП-транзистор: большое напряжение \( V_{GS}\) позволит действовать свободнее.

На рис. 8.122 Показан эффект от умножителя ёмкости со схемы 8.92 для двух блоков питания с рис. 8.123 . Для обоих были измерены:

спектр шума непосредственно на выходных клеммах ( сплошные кривые ),
спектр после умножителя ёмкости ( прерывистые кривые ), и для сравнения
спектр с повешенной на выходные клеммы ёмкостью 10'000 μF ( пунктирные кривые ).

Во всех случаях выход был нагружен на 100 Ω . Умножитель очень эффективен в подавлении шума источников питания ¹⁴⁴ и работает много лучше, чем просто подключённый к выходным клеммам конденсатор.

Рис.8.122 Умножитель ёмкости - очень эффективное средство подавления шумов источников питания, что хорошо видно по приведённым спектрам шума двух источников питания ( они повторены на рис. 8.123 под теми же номерами ). Сплошные линии - источник в исходном состоянии, прерывистые ( номера со штрихом ) – с ёмкостью 10'000 μF , подключённой к выходным клеммам, пунктирные линии ( номера с двойным штрихом ) - с умножителем ёмкости по схеме 8.92

==579

¹⁴² Источники тестировались «как есть» без каких-либо попыток включить их согласно спецификации. Принимать решение о покупке, основываясь на приведённых данных, не следует. <-

¹⁴³ Для графика #3: батарея подзаряжалась дежурным током, равным току нагрузки. Если подзарядка выключалась, то в низкочастотной области графика появлялся «наклон», который можно увидеть на кривой #2. <-

¹⁴⁴ За исключение очень низких частот, где альтернативы источнику питания со стабильной и тихой опорой нет. <-