Подавление шумов и помех в стабилизаторах напряжения

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Стабилизаторы постоянного тока

Опубликовано: 24.03.2017 14:34

Просмотров: 3334

Е.П.Фесенко, г.Киев
 Чаще всего для подавления помех и шумов в трехвыводных стабилизаторах напряжения применяют простое подключение конденсатора на выходе стабилизатора. На самом деле (в большинстве случаев) таким способом можно пользоваться для подавления помех и снижения уровня шумов в широком диапазоне частот, но при этом возможно одновременное ухудшение шумовых параметров в узкой полосе частот.

Кроме того, нужно учитывать, что выходное сопротивление в большинстве стабилизаторов в определенном диапазоне частот имеет индуктивный характер, следовательно, можно догадаться, что подключение конденсатора для подавления шумов и помех может иметь также и другой эффект. Приведенные в статье примеры относительно регулируемого стабилизатора напряжения LM317 можно применить к другим типам трехвыводных стабилизаторов напряжения.
 
Как показано на рис.1, выходное сопротивление стабилизатора LM317 (для тока нагрузки 500 мА) имеет индуктивный характер в пределе частот от 1 кГц до 1 МГц. Это индуктивное выходное сопротивление вместе с конденсатором, подключенным к выходу стабилизатора, ухудшает частотную характеристику на определенной частоте и приводит к усилению шумов и помех в узкой полосе около этой частоты. Такое ухудшение характеристики ("пики шумов") связано с резонансной частотой, которая определяется индуктивным характером выходного сопротивления стабилизатора и емкостью выходного конденсатора.
 
 На рис.2 показаны типовые пики шумов для ИМС LM317 при различных емкостях выходного конденсатора. Учитывая потери в конденсаторе и индуктивности стабилизатора, диапазон всплесков пиков будет находиться в пределах 1... 100 кГц. Частоту пика шумов можно рассчитать по формуле Томпсона F = 1 /(2π(LС)1/2).
Уровень пиков зависит от добротности образованной резонансной цепи. Например, добротный полипропиленовый конденсатор емкостью 1 мкФ с ESR, равной 20 мОм, на частоте 30 кГц создает пик шумов в три раза больший, чем танталовый конденсатор с такой же емкостью и ESR 1 или 2 Ом. Пик шумов проникает также обратно, ко входу стабилизатора и появляется там по-
давленным на 20 дБ относительно выхода.
Проектируя новое устройство, нужно помнить, что выходное сопротивление трехвыводного стабилизатора может значительно изменяться одновременно с током нагрузки и фиксированным выходным напряжением, что также влияет на частоту пика. Когда ток нагрузки растет, то gm выходного транзистора стабилизатора также растет.
 
 Это, в свою очередь, приводит к уменьшению выходной индуктивности (рис.3), так что в выходном сопротивлении начинают преобладать сопротивление токового ограничителя, сопротивление монтажных проводов и выводов. Это справедливо для стабилизаторов положительного и отрицательного напряжения, стабилизаторов с фиксированным и регулируемым напряжением, средней и большой мощности.
Ошибочно считать, что функция выходного сопротивления от частоты представляет собой фиксированную кривую. В действительности это семейство кривых для разных токов (рис.4).
 
Вывод. Типовые величины емкостей выходных конденсаторов, обычно используемые пользователями трехвыводных стабилизаторов, позволяют получить ожидаемое подавление шумов и помех на определенных частотах, но не на всех. Во многих типовых случаях появляющийся по питанию пик шумов с уровнем в несколько микровольт на частоте 5 или 10 кГц не приводит ни к каким проблемам. Однако, если такая ситуация возникнет при питании устройства, очень чувствительного к помехам в определенной полосе частот, то разработчик может легко подобрать емкость выходного конденсатора и так проектировать устройство, чтобы положение пика шумов не совпадало с диапазоном критических (резонансных) частот сопряженного устройства.
В малошумящих устройствах следует избегать применения конденсаторов емкостью от 0,1 до 20 мкФ и особенно конденсаторов с малыми величинами ESR. Наилучший эффект подавления помех и шумов получается в случае, когда к выходу стабилизатора подключен электролитический конденсатор емкостью 50 мкФ или больше, а к регулирующему выводу ADJ - по крайней мере, емкостью 1 мкФ (в случае регулируемых стабилизаторов). Разработчик устройства должен помнить, что изменение тока нагрузки или выходного напряжения приводит к изменению выходной индуктивности, и в связи с этим устройство должно быть исследовано во всем диапазоне токов нагрузки и выходных напряжений, с которыми стабилизатор будет работать.
Радиосхема №1, 2007г.
(По материалом National Semiconductor Corporation)