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Applikationen

Applikationen Rauschverminderungs-Netzwerk für einstellbare Low-Drop-Spannungsregler Der Begriff Noise bedeutet Rauschen im weiteren Sinne (also thermisches und elektronisches Rauschen plus diverse Störungen). Rausch-Parameter zu berücksichtigen, ist extrem wichtig beim Design von analogen High-Performance- Schaltungen. Original-Quelle: Noise Reduction Network for Adjustable Low Dropout Regulators Glenn Moritas Application Note AN-1329 von Analog Devices, 2014 frei übersetzt und gekürzt von FS Bild 1: Vereinfachtes Blockschaltbild eines einstellbaren LDOs mit internen Rauschquellen Ganz besonders gilt dies für Highspeed-Taktsysteme, ADCs, DACs, VCOs und PLLs. Der Schlüssel zur Reduzierung der Rauschspannung am Ausgang besteht darin, die Wechselspannungsverstärkung bei geschlossener Schleife nahe bei 1 zu halten, ohne dabei die AC-Performance und die Gleichspannungsverstärkung bei geschlossener Schleife zu beeinträchtigen. Dieser Applikationsbericht beschreibt, wie man ein einfaches RC-Netzwerk einsetzen kann, um das Ausgangsrauschen eines einstellbaren Low-Dropout-Reglers (LDO) zu minimieren. Im Experiment gewonnene Daten für verschiedene LDOs werden präsentiert und belegen die hohe Effizienz der einfachen Schaltungstechnik. Obwohl die Rauschreduktion hier der primäre Fokus ist, so werden die Ergebnisse auch bezüglich der Betriebsspannungs-Unterdrückung (Power Supply Rejection Ratio, PSRR) und des Verhaltens an schwankenden Lasten (Transient Load Response) aufgezeigt. Schaltungstechnik In Bild 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines typischen einstellbaren LDOs dargestellt. Die Ausgangsspannung V OUT ist eine Funktion der Referenzspannung V R sowie der DC-Schleifenverstärkung (DC Closed- Loop Gain) des Fehlerverstärkers. Die Ausgangsspannung errechnet sich folgendermaßen: V OUT = V R x (1 + R 1 /R 2 ). Darin ist 1 + R 1 /R 2 die Verstärkung der geschlossenen Rückkopplungsschleife (DC Closed- Loop Gain). Das Rauschen des Fehlerverstärkers V N multipliziert sich mit dem selben Faktor, und daher wird ein Ausgangsrauschen entstehen, welches mit der programmierten Ausgangsspannung mitgeht. Wenn Ausgangsspannungen eingestellt werden, die kleiner sind als die doppelte Referenzspannung, dann gibt es nur ein moderates Ansteigen des Ausgangsrauschens. Für empfindliche Anwendungen ist dies schon nicht mehr akzeptabel. Bild 2: Spektrale Rauschdichte eines ADP 125 bei verschiedenen Ausgangsspannungen Bild 3: Verlauf verschiedener Verstärkungen beim Einsatz des Rauschverminderungs-Netzwerks 10 HF-Einkaufsführer 2015/2016

Applikationen Bild 4: So wird die Verstärkung nur für das Rauschen reduziert. Das Rauschen in LDOs Hauptsächlich wird das Rauschen von der internen Referenzquelle mit V R und dem Fehlerverstärker (elektronisches Rauschen) erzeugt. Moderne LDOs arbeiten mit internen Bias-Strömen von einigen 100 nA, um Ruheströme von etwa 15 µA zu bewirken. Damit verbunden sind hohe Werte des Bias- Widerstands (bis 1 GOhm). Dies wiederum bedeutet einen stärker rauschenden Fehlerverstärker und eine mehr verrauschte Referenzspannung. Normalerweise wird die Ausgangsspannung über externe Widerstände eingestellt. Daher ist der DC Closed Loop Gain um 1 größer als der AC Closed Loop Gain. Das LDO- Rauschen lässt sich durch Filtern der Referenzspannung und Herabsetzen der Verstärkung des Fehlerverstärkers für das Rauschen reduzieren. Im ersten Fall lässt sich manchmal ein externer Kondensator nutzen. Stets kommt man dann dahin, dass das Ausgangsrauschen sich recht proportional zur Ausgangsspannung verhält. Das belegt Bild 2 ganz deutlich. Bild 3 vergleicht den AC Closed-Loop Gain eines Reglers mit sorgfältig entwickeltem Rauschverminderungs-Netzwerk mit dem Closed-Loop Gain eines nicht modifizierten Reglers. Die AC-Verstärkung liegt bei 1 (0 dB), abgesehen von geringen Frequenzen. Das Resultat: Rauschen wird auf einen höheren Wert verstärkt. In Bild 4 ist das prinzipielle Innenleben eines auf 1 V eingestellten LDOs gezeigt, wobei R FB1 und R FB2 die Ausgangsspannung bestimmen. Das Rauschen des Fehlerverstärkers wird durch R NR und C NR herabgesetzt. Einige LDOs haben einen geringen Phasenwinkel oder sind bei Einsverstärkung nicht stabil. Daher wurde R NR willkürlich eingesetzt, um die Verstärkung bei hohen Frequenzen auf etwa 1,1 zu bringen. Der Wert von R NR kann nach Bedarf so gewählt werden, dass der LDO mit Sicherheit stabil arbeitet, wenn auch die Rauschreduktion dann nicht den vollen Effekt bringt. Der Wert von C NR wurde so festgelegt, dass die niedrigste Frequenz für eine volle Wirksamkeit des Rauschverminderungs-Netzwerks (bestehend aus C NR , R FB1 und R NR ) unter 10 Hz liegt. Das stellt sicher, dass das Rasuchen in der 1/f-Region ebenso reduziert wird. Ein praktisches Beispiel In Bild 5 wird das Rauschen der Ausgangsspannung eines einstellbaren LDOs über der Frequenz gezeigt, mit und ohne Rauschverminderungs-Netzwerk. Dessen Effekt ist unübersehbar. In diesem und in vielen anderen Fällen erfolgt eine signifikante Reduktion des störenden Rauschens in der Region 20 Hz bis 10 kHz und darüber hinaus bis 50 kHz für eine Reihe von LDOs. Die spektrale Bild 5: Spektrale Rauschdichte eines ADP 125 bei 4 V und 500 mV Ausgangsspannung Bild 6: Modifikation der Außenbeschaltung zur Rauschreduktion Bild 7: Spektrale Rauschdichte eines ADP 7142 bei 6 und 12 V Ausgangsspannung mit und ohne Rauschverminderungs-Netzwerk Dichte des Rauschens des einstellbaren LDOs bei Einsverstärkung (Unity Gain) ist ebenfalls dokumentiert. Über der durch R FB1 und C NR bestimmten unteren Frequenz entfaltet das Rauschverminderungs-Netzwerk unübersehbar eine solche Wirkung, dass das Rauschen nun fast identisch ist mit dem bei Einsverstärkung des LDOs. Zu beachten ist, dass die Kurven HF-Einkaufsführer 2015/2016 11

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