Power-Tipp LDO-Basics: So reduzieren Sie das Rauschen

LDOs erzeugen ein Eigenrauschen. In der Praxis sollten Sie rauschmindernde Maßnahmen ergreifen. Der Power-Tipp zeigt am Beispiel eines rauscharmen LDOs mit speziellem Rauschminderungs-Pin, wie Sie am besten vorgehen.

Als elektronische Bauelemente erzeugen LDO-Regler (Low Drop Out) zwangsläufig ein gewisses Eigenrauschen. Während am Ausgang eines idealen LDO eine reine Gleichspannung ohne jegliche Wechselspannungsanteile anliegen würde, lässt sich bei realen LDOs Rauschen nicht völlig vermeiden.

Derartiges Rauschen können Sie am besten im Frequenzbereich analysieren, wofür sich ein Spektrumanalysator anbietet. In Bild 1 ist das Ausgangsrauschen eines rauscharmen, für einen Laststrom von 1 A ausgelegten LDO wiedergegeben.

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Das Ausgangsrauschen [μV/√Hz] ist am unteren Ende des Frequenzspektrums am stärksten ausgeprägt. Erzeugt wird es in erster Linie von der internen Spannungsreferenz, daneben sind auch der Fehlerverstärker, der FET und der Widerstandsteiler beteiligt.

Das gezeigte Rauschprofil eignet sich gut, um die Stärke des Rauschens für den jeweils relevanten Frequenzbereich zu beurteilen. Beim Design von Audio-Applikationen etwa dürfte der hörbare Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz besonders interessant sein. In den Datenblättern aber findet sich meist nur eine Angabe des effektiven Rauschens [µV_eff] über einen Frequenzbereich von beispielsweise 10 Hz bis 100 kHz.

Durch eine Integration über die Frequenzbereiche lässt sich Rauschen hervorragend kaschieren. In Bild 1 sind die Werte des effektiven Rauschens zu den verschiedenen Kurven angegeben.

LDO: Maßnahmen zur Rauschminderung

Neben der Wahl eines rauscharmen LDOs können zusätzliche rauschmindernde Maßnahmen ergriffen werden. So offerieren rauscharme LDOs beispielsweise einen speziellen Anschluss mit der Bezeichnung NR/SS (Noise Reduction/Soft Start). In Bild 2 ist eine Möglichkeit zur Implementierung der Rauschreduktionsfunktion zu sehen.

Der NR/SS-Pin hat zwei Funktionen. Einerseits ermöglicht er das Ausfiltern des von der internen Spannungsreferenz ausgehenden Rauschens und andererseits verringert er die Anstiegsrate beim Einschalten oder Aktivieren des LDOs.

Legt man einen Kondensator (CNR/SS) an diesen Pin, entsteht zusammen mit dem Innenwiderstand ein RC-Filter, der das von der Spannungsreferenz generierte Rauschen ableitet. Da die Spannungsreferenz den größten Anteil am Gesamtrauschen hat, können Sie durch einen höheren Wert der Kondensatorkapazität die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters in Richtung niedrigerer Frequenzen verschieben. Die Effekte des Kondensators auf das Ausgangsrauschen sind in Bild 3 klar zu erkennen.

Wie Sie in Bild 3 sehen, bringt das Anheben der Kapazität ab einem gewissen Punkt keine weitere Rauschreduzierung mehr, denn das verbleibende Rauschen stammt aus anderen Quellen wie dem Fehlerverstärker, dem FET usw.

Was ein zusätzlicher Kondensator bringt

Das Hinzufügen eines Kondensators bewirkt ebenfalls, dass die Ausgangsspannung nach dem Einschalten langsamer ansteigt. Das ist vorteilhaft bei einer großen Lastkapazität und wenn der Einschaltstrom begrenzt werden soll. Um diesen zu verringern, können Sie entweder die Lastkapazität herabsetzen oder die Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung verringern.

Letzteres lässt sich mit dem Kondensator am NR/SS-Pin erreichen. Je höher der Kapazitätswert des Kondensators CNR/SS ist, umso länger dauert das Hochfahren der Ausgangsspannung, wodurch zu hohe Einschaltströme, die die Strombegrenzung aktivieren könnten, unterbunden werden.

Beachten sollten Sie dabei, dass einigen LDOs mit NR-Pin der Softstart fehlt. Diese Bauelemente haben stattdessen eine Quick-Start-Funktion, die auch in Verbindung mit großen Rauschreduzierungs-Kondensatoren für minimale Anlaufzeiten sorgt.

* Kyle van Renterghem ist Manager Marketing und Applikation von Low Input Voltage LDOs bei Texas Instruments in Tucson / USA.

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