Analogtipp

Einfaches RC-Netzwerk reduziert das LDO-Rauschen

05.03.14 | Autor / Redakteur: Glenn Morita * / Kristin Rinortner

Bild 1: Das vereinfachte Blockschaltbild eines Linearreglers mit einstellbarem Ausgang zeigt die internen Rauschquellen.
Bild 1: Das vereinfachte Blockschaltbild eines Linearreglers mit einstellbarem Ausgang zeigt die internen Rauschquellen. (Bild: Analog Devices)

In diesem Tipp zeigen wir, wie man einen LDO mit einstellbarer Ausgangsspannung um ein einfaches RC-Netzwerk erweitert und damit das Ausgangsrauschen reduziert.

Das Thema Rauschen ist für Entwickler leistungsstarker Analogschaltungen besonders wichtig. Speziell wenn es um die Realisierung schneller Taktschaltkreise, A/D-Wandler, D/A-Wandler, VCOs und PLLs geht.

Mit einem Low-Dropout Regler (LDO) lassen sich die genannten Schaltungen versorgen. Das Rauschen von LDOs lässt sich verringern, indem man auf eine Rauschverstärkung in der Nähe von Eins achtet.

Bild 1 zeigt die vereinfachte Blockschaltung eines typischen LDOs mit einstellbarer Ausgangsspannug. Die Spannung UOUT ergibt sich aus dem Produkt der Referenzspannung UR und der Verstärkung des Fehlerverstärkers (1+R1/R2) bei offenem Regelkreis: UOUT = UR × (1+R1/R2). Die Rauschverstärkung entspricht der DC-Verstärkung bei geschlossenem Regelkreis. Durch eine Verringerung der Rauschverstärkung lässt sich das Ausgangsrauschen von LDOs mit einstellbarer Ausgangsspannung reduzieren, wo der Rückkopplungsknoten (Feedback-Knoten) zugänglich ist.

Indem man die Schaltung um ein einfaches RC-Netzwerk erweitert, lässt sich das Ausgangsrauschen reduzieren. Zugleich werden Störungen auf der Spannungsversorgung besser unterdrückt sowie das Verhalten bei Lasttransienten verbessert. Das aus R3 und C1 bestehende Netzwerk reduziert die AC-Verstärkung des Fehlerverstärkers.

Um bei LDOs, die eine geringe Phasenreserve aufweisen oder nicht bei Verstärkung Eins stabil sind, Stabilität sicherzustellen, wählt man R3 so, dass sich beim Verstärker eine HF-Verstärkung von etwa 1,1 ergibt. Zur Reduzierung des Rauschens in der 1/f-Region wählt man C1 so, dass sich eine Frequenz von unter 10 Hz ergibt. Mit dem Netzwerk zur Reduzierung des Rauschens erhält man für den größten Teil der Bandbreite eine AC-Verstärkung in der Nähe des Verstärkungsfaktors Eins. Damit werden Referenzrauschen und das Rauschen des Fehlerverstärkers weniger verstärkt.

Bei diesem Netzwerk zeigt das Rauschverhalten eine wesentliche Verbesserung zwischen 20 Hz und 2 kHz. Über der durch R1 und C1 erzeugten „Null“ sind die Rauscheigenschaften mit dem Rauschreduzierungsnetzwerk fast so wie bei einem Verstärkungsfaktor Eins. Über 20 kHz treffen sich die Verstärkung des Fehlerverstärkers bei geschlossenem Regelkreis und die Verstärkung bei offenem Regelkreis. Damit ist keine weitere Reduzierung der Rauschverstärkung möglich.

Der Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) über diesen Frequenzbereich lässt sich ebenfalls reduzieren. Die Verbesserung (in dB) beträgt etwa 20×log(1+R1/R3) für Frequenzen unter dem Punkt, an dem die Verstärkungen bei geschlossenem und bei offenem Regelkreis „verschmelzen“. Der gesamte PSRR-Wert steigt um etwa 17 dB von 100 Hz bis 1 kHz. Er sinkt bis etwa 20 kHz, wo die Verstärkungen bei offenem und geschlossenem Regelkreis „verschmelzen“.

Das Rauschreduzierungsnetzwerk verbessert auch das Verhalten des LDOs bei Lasttransienten. Mit dem Rauschreduzierungsnetzwerk kann der LDO innerhalb von 50 μs auf Lasttransienten reagieren (500 μs ohne das Netzwerk).

Ein Nachteil des Rauschreduzierungsnetzwerks ist, dass sich bei C1 = 10 nF die Anlaufzeit von etwa 600 μs auf 6 ms bzw. bei C1 = 1 µF auf 600 ms verlängert. Dies sollte jedoch bei Applikationen, die den LDO nicht ein- und ausschalten, unproblematisch sein, sobald die Schaltung komplett eingeschaltet ist.

Diese Technik eignet sich für LDOs mit Architekturen, die der in Bild 1 gezeigten ähneln. Dort werden Referenzspannungsrauschen und das Rauschen des Fehlerverstärkers von der DC-Verstärkung der geschlossenen Regelschleife verstärkt. LDOs wie die Modelle ADP125, ADP171, ADP1741, ADP1753, ADP1755, ADP7102, ADP7104 und ADP7105 weisen diese Architektur auf und profitieren erheblich vom Einsatz eines Rauschreduzierungsnetzwerks.

Neuere LDOs mit sehr geringem Rauschen wie etwa das Modell ADM7151 profitieren vom Rauschreduzierungsnetzwerk nicht, da die Architektur den LDO-Fehlerverstärker bei Eins-Verstärkung nutzt. Damit sind Referenzspannung und Ausgangsspannung gleich.

Darüber hinaus weist der interne Referenzfilter eine Polstelle unter 1 Hz auf. Das filtert die Referenzspannung und eliminiert praktisch alle Faktoren, die zum Referenzrauschen beitragen.

* Glenn Morita ist Applikationsingenieur im Team Power Management Products von Analog Devices in Bellevue, USA.

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