Покончим с шумом в стабилизаторах напряжения!

 Автор статьи  Charles Wenzel,    

 Разработчики  малошумящих усилителей, генераторов, другой высокочувствительной аппаратуры порой сталкиваются с трудно разрешимой проблемой вносимых со стороны источника питания шумов, фона, помех. К сожалению, многие  стабилизаторы имеют в составе выходных напряжений значительные уровни собственных шумов, “пички” - результат работы ключевых схем и высокие уровни фликкер-шумов от неразвязанных источников опорных напряжений. Типичные трёхвыводные интегральные стабилизаторы имеют на выходе уровень белого шума в несколько нановольт на корень квадратный из Гц, это ещё не самый худший уровень - белый шум некоторых источников опорного напряжения достигает величины в 1 мкВ на корень из Гц. Преобразователи типа “постоянный ток – постоянный ток” (“постоянное напряжение - постоянное напряжение”) и импульсные стабилизаторы напряжения могут иметь на выходе продукты своей “деятельности”, уровень которых заходит далеко в диапазон милливольт, а спектр широкополосен. В некоторых системах применяются компоненты, которые “загрязняют”, в общем-то чистый (при условии отсутствия этих компонентов) источник питающего напряжения.

  Традиционный подход в деле уменьшения таких шумов можно назвать “методом грубой силы”. Между “шумящим” стабилизатором и нагрузкой включаются значительные по величине индуктивности катушки с конденсаторами (“сглаживающие фильтры” – ограничение полосы частот шума - UA9LAQ), порой последовательно включаются дополнительные “сглаживающие” стабилизаторы. В большинстве случаев “чистящие” устройства блоков питания имеют дело с полным током нагрузки. Устройство, описываемое здесь имеет ту “изюминку”, что не использует полного тока нагрузки в “деле улучшения” качественных показателей БП.

  Чтобы понять принцип “очистки”, следует иметь в виду, что, всё-таки, уровень шумов  стабилизатора на несколько порядков ниже уровня его выходного напряжения, даже, если рассматривать таковое  в широком диапазоне частот. Например, десятивольтовый стабилизатор напряжения может иметь 10 мкВ шума в полосе 10 кГц – уровень шумов на шесть порядков ниже уровня выходного напряжения стабилизатора. Значит, и шумовой ток, протекающий через резистивную нагрузку будет на шесть порядков меньше постоянного тока. Введём резистор с незначительным сопротивлением в цепь питания нагрузки (последовательно) и допустим, что устройство, каким-либо образом, подавляет шум на нагрузке до нуля. Тогда получаем зависимость для шумового тока: Vn / R, где Vn – напряжение шумов,

R – сопротивление введённого в цепь питания нагрузки резистора. Если примем сопротивление этого резистора равным 1 Ом, то, в нашем примере: 10 мкВ / 1 Ом = 10 мкА – это очень маленький ток! Если бы токоограничительное устройство разработать так, чтобы шумовой ток был замкнут на общий провод, тогда бы и в нагрузке этого шумового тока не было. Усилением шума с помощью инвертирующего проводимость усилителя с определённым коэффициентом усиления, можно снизить шумовой ток. Необходимая величина проводимости вычисляется просто – 1/R, где R – сопротивление последовательно включенного в цепь нагрузки низкоомного резистора.

  Рассмотрим слаботочную версию устройства (Рис. 1), которую можно применить для “чистки” маломощных БП. Последовательно в цепь нагрузки здесь включен 15-омный резистор, падение напряжения на нём составляет 150 мВ при токе нагрузки равном 10 мА – обычном для малошумящего предусилителя или задающего генератора. В цепи эмиттера однотранзисторного усилителя имеется резистор, который в союзе с сопротивлением  переходов транзистора даёт примерно 15 Ом  (между коллектором и корпусом). Напряжение шумов стабилизатора выделится на резисторе (последовательном с нагрузкой) и будет замкнуто на корпус с коллектора транзистора. Снижение уровня шумов может достигать 20 дБ без подбора сопротивления  резистора. Собственный вносимый транзистором 2N4401 шум незначителен и составляет примерно 1 нановольт на корень из Гц. Подбором сопротивления резистора в эмиттерной цепи транзистора подавление шумов можно увеличить до, более, чем 40 дБ.

 

Рис. 1. “Чистящая схема” для маломощных нагрузок. Схема принципиальная электрическая.

  В сильноточных (в смысле тока) БП с низкоомными нагрузками сопротивление дополнительного последовательного “инструментального” резистора необходимо снижать (из-за большого падения напряжения  и рассеиваемой на нём мощности - UA9LAQ). Это потребует дополнительного усиления в схеме устройства “очистки”. Одним способом осуществления этого является применение составного транзистора, как показано на  Рис. 2. Действующее сопротивление открытых переходов транзистора составляет примерно 0,25 Ом, что в союзе с эмиттерным резистором 0,75 Ом даст искомое сопротивление 1 Ом  (при “инструментальном” резисторе сопротивлением 1 Ом). Оконечный транзистор открыт немного больше, чем это нужно и с включенным в цепь коллектора резистором может “управляться с выбросами” напряжения обеих полярностей величиной до 10 мВ. Составной транзистор (схема Дарлингтона) MPSD54 может быть заменён транзистором 2N4403, но действующее сопротивление переходов тогда немного превысит 1 Ом.

 

 

 Рис. 2. Версия ШП на составном транзисторе.

  Простота однотранзисторных схем притягивает, но, всё-таки, как же такие схемы будут работать при больших токах нагрузки? Одним ограничивающим фактором является конечное сопротивление переходов транзисторов, которое ограничивает усиление одного каскада. Используйте транзисторы, рассчитанные на большие коллекторные токи. Мощные силовые транзисторы – хороший выбор для применения в устройстве,  даже если рассеиваемая на них мощность будет незначительной. Резистор в эмиттерной цепи транзистора (Рис. 1) упраздняется, а сопротивление резистора смещения уменьшается до 5 или 10 кОм. Коллекторный резистор выбирается из расчёта получения необходимого усиления: если сопротивление этого резистора уменьшается, эмиттерное сопротивление  транзистора снижается примерно на 0.025 / Ic, где Ic – ток коллектора, без учёта внутреннего сопротивления транзистора. Транзистор 2N5192 с резистором 270 Ом в цепи коллектора и 4,7 кОм - резистором смещения будет хорошо работать с резистором – датчиком (последовательным в цепи нагрузки – UA9LAQ) сопротивлением 1 Ом и потреблять при этом ток 40 мА. Усиление транзистора зависит от температуры, но хорошее снижение уровня шумов может быть достигнуто в широком температурном диапазоне.

  Экспериментаторы попытаются “затащить” в схему устройства параллельный стабилизатор TL431 для использования его вместо одиночного транзистора. Затея не плохая. Фликкер-шум, при этом, правда будет немного великоват, но уровень подавления “пичков” от импульсных стабилизаторов будет очень высоким. Высокое усиление TL431 позволяет применять очень малые сопротивления последовательных образцовых в цепи нагрузки резисторов. Другой интересной микросхемой является СА3094, имеющей встроенный составной транзистор, способный работать с токами до 100 мА, а шум операционного усилителя составляет 18 нВ при полосе 10 Гц.

  Приведённые два примера являются типичными для множества выпускаемых компонентов, имеющих аналогичную схемотехнику. Трёхтранзисторная версия устройства была разработана под сопротивление резистора - датчика 0,05 Ом и пару версий на ОУ были разработаны с использованием LM833. Хотя все эти версии работали хорошо, сложность устройств уже начинала досаждать. Одно утешение, что не нужно иметь сильноточных проходных элементов (малое сопротивление резистора датчика - малая выделяемая на нём мощность- UA9LAQ). Так что и габариты устройства получаются небольшими.

 

   Следующее устройство разработано с целью использования в источниках питания с выходным напряжением 15 В - обычным в парке БП. Шунтовое (параллельное) устройство подавляет имеющийся белый шум, помехи и линейные (в смысле сети питания) сигналы, проникающие в БП, причём, при тщательном изготовлении, подавление вышеперечисленного может достигать 40 дБ (это в 100 раз по напряжению – UA9LAQ). Номиналы деталей не слишком критичны, кроме, пожалуй, коэффициента усиления усилителя, который должен быть равен отношению сопротивления эмиттерного резистора транзистора к сопротивлению последовательного резистора. В нашем примере усиление составляет: 15 / 0,05 = 300. В действительности, усиление составляет 301 при тех номиналах, что указаны на схемах, так что применение резистора сопротивлением 299 кОм было бы желательно (если уж быть строгим), но сопротивление в 0,05 Ом, в этом случае, подобрать точно, ещё труднее. Один из определяющих усиление резисторов можно сделать подстроечным и производить настройку по максимуму подавления шумов на выходе БП.  Выберите для устройства надёжный малошумящий потенциометр металло-плёночного или проволочного типа, чтобы получить впечатляющие результаты. Стандартные значения постоянных резисторов позволяют получить достаточные для большинства применений результаты шумоподавления. Отлично работает в приведённой схеме микросхема LM833, но и другие малошумящие ОУ будут работать здесь хорошо. Выбирайте ОУ с широкой полосой пропускания с малым входным (в оригинале стоит, именно, “входным” - UA9LAQ) напряжением шумов. Если есть возможность варьировать напряжение питания нагрузки, то можно применить большее сопротивление последовательного резистора, при этом, усиление усилителя подстройте, как указано выше.LM833 - сдвоенный ОУ, поэтому, с применением одного корпуса, можно построить два шумоподавителя, применив их в разных стабилизаторах одного БП или включив последовательно для лучшего подавления шумов  и помех в  линии у одного стабилизатора. Шумопонижающий шунт не забирает мощность у нагрузки, потери в цепи нагрузки определяются лишь последовательно включенным сопротивлением резистора в цепи её питания.

 

 

Следующий график показывает работу шумоподавителя в схеме трёхвыводного стабилизатора (интегрального). Уровень шума стабилизатора составлял 330 нВ на корень из Гц на частоте 100 Гц, при помощи приводимого  шумоподавителя, эта цифра уменьшилась до 20 нВ.  Это подавление шумов на 24 дБ было достигнуто без специального подбора компонентов и уделения повышенного внимания их монтажу. Одно замечание следует сделать относительно общего провода: следует применять широкие шины и большие поверхности. Подавление, осуществляемое шумоподавителем  реально  выше, чем указано на графике. Работа схемы на низких частотах определяется размерами связующих (переходных) конденсаторов, а уровень шумоподавления - усилением LM833 и шумами резисторов.

Свободный перевод с английского:              Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень                    январь, 2003 г