Linearregler: Mit extrem rauscharmen LDOs saubere Versorgungsspannungen erzeugen

Bei der Versorgung von rauschempfindlichen analogen oder HF-Schaltungen werden LDO-Regler gegenüber Schaltreglern oft bevorzugt. Diese Anwendungen haben inzwischen Empfindlichkeiten erreicht, die konventionelle LDO-Regler an ihre Grenzen bringen. Der Artikel beschreibt die Herausforderungen beim Design mit LDOs.

Linearregler wandeln eine höhere Eingangsspannung auf eine niedrigere Spannung am Ausgang ohne Induktivität. Eine besondere Variante des Linearreglers ist der LDO-Regler (Low Dropout), bei dem die Dropout-Spannung, also die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, kleiner als 400 mV ist. Dies war bei frühen Linearregler-Schaltungen noch anders: hier lag die Dropout-Spannung bei 1,3 V, sodass bei Eingangsspannungen von 5 V nur noch eine Ausgangsspannung von maximal ca. 3,7 V geregelt werden konnte.

Inzwischen sind Schaltungstechnik und Fertigungsprozesse ausgereifter, sodass man eine Dropout-Spannung als gering einstuft, wenn sie ungefähr zwischen 100 und 300 mV liegt.

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LDO-Regler gehören zwar häufig zu den kostengünstigsten Bauelementen einer Schaltung, aber hinsichtlich des Verhältnisses zwischen Kosten und Nutzen zählen sie zu den wertvollsten Komponenten. Neben dem Regeln der Ausgangsspannung nehmen LDOs noch eine weitere entscheidende Aufgabe wahr: sie schützen die von ihnen versorgten Bauelemente vor widrigen Umgebungsbedingungen wie Spannungsspitzen, Störgrößen aus dem Netzteil, Rückspannungen, Stromstößen usw.

Sie müssen also robust ausgelegt und mit allen Schutzfunktionen ausgestattet sein, um den angeschlossenen Verbraucher vor den Widrigkeiten der jeweiligen Einsatzumgebung zu bewahren. Vielen billigen LDO-Reglern fehlen diese Schutzfunktionen jedoch. Sie können deshalb ausfallen, was Schäden nicht nur für sie selbst, sondern auch an der von ihnen gespeisten Last zur Folge haben kann.

Der LDO-Regler im Vergleich mit anderen Reglern

Für das Herabsetzen und Regeln niedriger Spannungen bieten sich verschiedene Methoden an: Schaltregler arbeiten mit einem hohen Wirkungsgrad und über weite Spannungsbereiche, benötigen für ihren Betrieb aber externe Bauelemente wie Spulen oder Kondensatoren. Deshalb brauchen sie auf der Leiterplatte mehr Platz.

Spulenlose Ladungspumpen (oder Switched-Capacitor-Spannungswandler) eignen sich ebenfalls zur Umwandlung niedriger Spannungen und arbeiten je nach Umwandlungsbereich in der Regel effizienter. Sie sind aber nicht nur hinsichtlich ihres Ausgangsstroms begrenzt, sondern weisen auch ein mäßiges Einschwingverhalten auf und benötigen mehr externe Bauelemente als ein Linearregler.

Die heutige Generation schneller digitaler ICs (z.B. FPGAs, DSPs, CPUs, GPUs und ASICs), die niedrige Spannungen und höhere Ströme erfordern, stellen größere Anforderungen an die Stromversorgungen für Core- und I/O-Bereiche. Da Ladungspumpen bei Ausgangsstrom und Einschwingverhalten dürftig sind, versorgte man solche Bauelemente mit effizienten Schaltreglern. Diese allerdings sind wegen ihrer Störemissionen potenziell problematisch, schwingen gelegentlich langsamen ein und bringen Restriktionen für das Layout mit sich.

LDO-Regler als echte Alternative

Für diese Anwendungen und auch für andere Niederspannungs-Systeme sind LDO-Regler deshalb eine echte Alternative. Dank der in jüngster Zeit erzielten Fortschritte warten LDO-Regler mit einigen Vorteilen bei der Leistungsfähigkeit auf, die sie zu einer attraktiveren Wahl machen.

Wenn es um die Versorgung rauschempfindlicher Analog- oder HF-Applikationen geht, die man üblicherweise in Prüf- und Messsystemen findet und in denen die Messgenauigkeit um einige Größenordnungen besser sein muss als die gemessene Größe, werden LDO-Regler meist gegenüber Schaltreglern bevorzugt. Rauscharme LDO-Regler dienen zur Versorgung eines breiten Spektrums von Analog- und HF-Schaltungen, darunter Frequenz-Synthesizer (PLLs/VCOs), HF-Mischer und -Modulatoren, schnelle und hochauflösende Datenwandler und Präzisions-Sensoren.

Diese Anwendungen haben allerdings inzwischen Empfindlichkeiten erreicht, die konventionelle rauscharme LDO-Regler an ihre Grenzen bringen. In vielen High-End-VCOs etwa wirkt sich das Rauschen auf der Versorgungsspannung direkt auf das ausgangsseitige Phasenrauschen (d. h. den Jitter) des VCO aus.

Um außerdem die Anforderungen an den Systemwirkungsgrad zu erfüllen, dient oftmals ein LDO-Regler zum Nachregeln des Ausgangs eines relativ stark verrauschten Schaltreglers. Hier hat die Fähigkeit des LDO-Reglers hochfrequente Störgrößen aus der Versorgungsspannung zu unterdrücken, höchste Priorität. Der Rauschpegel kann mithilfe eines LDO-Reglers außerdem gegenüber einem standardmäßigen Schaltregler um zwei bis drei Größenordnungen reduziert werden, nämlich vom mV-Bereich bis in den einstelligen µV-Bereich (eff.).

Design-Herausforderungen bei LDO-Reglern

Einige ICs, darunter zum Beispiel Operationsverstärker und Instrumenten- bzw. Messverstärker, aber auch Datenwandler (A/D- und D/A-Wandler) werden als bipolar bezeichnet, weil sie für ihren Betrieb zwei Versorgungsspannungen – eine positive und eine negative – benötigen.

Die positive Versorgungsspannung wurde üblicherweise von einer positiven Spannungsreferenz oder im besseren Fall von einem Linear- oder LDO-Regler bereitgestellt, während für die negative Versorgungsspannung ein negativer Schaltregler oder Inverter verwendet wurde. Durch den auf einer Spule basierenden Schaltregler können allerdings leicht Störungen in das System gelangen.

Mit der Einführung negativer Regler wurde es günstiger, die negative System-Versorgungsspannung von einem negativen LDO-Regler zu beziehen und damit von allen Vorteilen zu profitieren, die den LDO-Reglern eigen sind: geringeres Rauschen, höheres Versorgungsspannungsdurchgriff (Power supply rejection ratio, PSRR), schnelleres Einschwingverhalten, wirksame Schutzfunktionen.

Ältere LDO-Regler weisen demgegenüber deutlich schlechtere PSRR- und Rauscheigenschaften auf. Sie eignen sich zwar für diese Art rauscharmer Stromversorgungen, aber es sind viele zusätzliche Bauelemente sowie mehr Leiterplattenfläche und ein zeitaufwändigeres Design erforderlich, um ein solches System zu konfigurieren. Abhängig von ihren Eigenschaften (parasitäre Widerstände usw.) können die ergänzenden Bauelemente auch das Energiebudget des Systems ungünstig beeinflussen.

Für Kunden, die einen Operationsverstärker, einen A/D-Wandler oder einen anderen Baustein der Signalkette einsetzen, kommt noch eine weitere kritische Eigenschaft hinzu. Diese ICs besitzen nämlich nur einen endlichen Versorgungsspannungsdurchgriff, der außerdem bei hohen Frequenzen deutlich einbrechen kann. In der Vergangenheit waren deshalb auf der Leiterplatte zusätzliche Filter erforderlich, was die Abmessungen erhöhte. Bei dem Versuch, mehr Genauigkeit zu erzielen, konnten sich außerdem weitere Schwierigkeiten einstellen, wenn die Versorgungsspannung des Reglers übermäßiges Rauschen aufwies. Denn in diesem Fall waren in Mess-Anwendungen unerwünschte Schwankungen möglich.

LDO-Regler-Varianten: PMOS-LDO und NMOS-LDO

Zahlreiche Industriestandard-Linearregler erzielen ihre Low-Dropout-Spannung mit nur einer Versorgungsspannung. Die meisten aber können nicht mit der Fähigkeit zur Umwandlung sehr niedriger Spannungen, geringem Ausgangsrauschen, großen Ein- und Ausgangsspannungsbereichen und umfangreichen Schutzfunktionen aufwarten.

PMOS-LDO-Regler bieten Low-Dropout-Spannungen und kommen mit einer Versorgungsspannung aus, sind wegen der UGS des Längstransistors jedoch auf niedrige Eingangsspannungen beschränkt. Außerdem fehlen ihnen viele Schutzfaktoren der Hochleistungs-Regler. NMOS-Bausteine bieten schnelle Einschwingzeiten, sind aber auf zwei Versorgungsspannungen angewiesen.

NPN-Regler wiederum zeichnen sich durch einen großen Ein- und Ausgangsspannungsbereich aus, benötigen aber zwei Versorgungsspannungen oder besitzen eine höhere Dropout-Spannung. Mit der richtigen Architektur lässt sich mit PNP-Reglern dagegen eine niedrige Dropout-Spannung, eine hohe Eingangsspannung, geringes Rauschen, ein hoher Versorgungsspannungsdurchgriff und die Fähigkeit zur Umwandlung sehr niedriger Spannungen erzielen – im Verbund mit wirkungsvollen Schutzfunktionen und mit nur einer Versorgungsspannung.

Im Interesse eines hohen Gesamt-Wirkungsgrads werden viele leistungsfähige Analog- und HF-Schaltungen aus LDO-Reglern gespeist, die als Nachregler hinter den Ausgang eines Schaltreglers geschaltet werden. Voraussetzungen hierfür sind ein hoher Versorgungsspannungsdurchgriff, geringes Rauschen auf der Ausgangsspannung und ein niedriger Spannungsverlust im LDO-Regler.

Ein LDO-Regler mit hohem Versorgungsspannungsdurchgriff kann problemlos das Rauschen auf dem Ausgang eines Schaltreglers ausfiltern und unterdrücken, ohne dass dafür sperrige Filter notwendig sind. Ein Baustein mit geringem Ausgangsspannungsrauschen über eine große Bandbreite ist außerdem vorteilhaft für die modernen Versorgungsleitungen, bei denen die Rauschempfindlichkeit ein entscheidendes Thema ist. Niedriges Ausgangsspannungsrauschen bei hohen Strömen ist eindeutig zu einer unverzichtbaren Spezifikation geworden.

Extrem rauscharme LDO-Regler mit hohen PSRR-Werten

Eine LDO-Lösung, die die soeben aufgeführten Probleme lösen kann, sollte also die folgenden Eigenschaften mitbringen:

• Sehr geringes Ausgangsrauschen,

• hoher Versorgungsspannungsdurchgriff über einen weiten Frequenzbereich,

• niedrige Dropout-Spannung,

• nur eine Versorgungsspannung (um die Anwendung zu vereinfachen und die Anforderungen an das Stromversorgungs-Sequencing zu lockern),

• schnelles Einschwingen,

• Eignung für einen großen Bereich von Eingangs- und Ausgangsspannungen,

• moderate Ausgangsstromfähigkeit,

• ausgezeichnete thermische Eigenschaften,

• kompakter Footprint.

Abgestimmt auf diese spezifischen Anforderungen, hat Analog Devices seine Positiv-LDO-Regler der Familie LT304x mit extrem hohen PSRR-Werten und äußerst geringem Rauschen auf den Markt gebracht. Aktuelles Produkt ist der komplementäre LT3094, ein 500 mA Negativ-LDO-Regler. Dieser Baustein ist die Negativversion des populären 500-mA-LDO-Reglers LT3045 (LT3042 für 200 mA).

Der LT3094 besticht durch ein niedriges Schrotrauschen von 2 nV/√Hz bei 10 kHz und ein integriertes Ausgangsrauschen von 0,85 µV_eff über eine Bandbreite von 10 Hz bis 100 kHz. Der Niederfrequenz-PSRR-Wert ist bei Frequenzen bis nahe 4 kHz besser als 100 dB und liegt bis 2 MHz über 70 dB, sodass eingangsseitige Stromversorgungen mit starkem Rauschen oder hoher Welligkeit problemlos von Störgrößen befreit werden können.

Proprietäre LDO-Architektur

Der Baustein basiert auf einer proprietären LDO-Architektur: an eine präzise Referenzstromquelle schließt sich ein leistungsfähiger Unity-Gain Buffer an, der dafür sorgt, dass die Bandbreite, das Rauschen, der PSRR-Wert und die Lastregelung von der Ausgangsspannung nahezu unabhängig sind. Abgesehen davon erlaubt diese Architektur ein Parallelschalten mehrerer LT3094 um das Rauschen weiter zu reduzieren, den Ausgangsstrom anzuheben und die Wärme besser auf der Leiterplatte zu verteilen.

Der Chip liefert bis zu 500 mA Ausgangsstrom mit einer Dropout-Spannung von 230 mV bei Volllast, über einen Eingangsspannungsbereich von –2 bis –20 V. Der Ausgangsspannungsbereich reicht von 0 bis –19,5 V, und die Ausgangsspannungs-Toleranz ist mit ±2 % über Netz, Last und Temperatur recht genau.

Die großen Ein- und Ausgangsspannungsbereiche des Bausteins, seine große Bandbreite, sein hoher PSRR-Wert und sein äußerst geringes Rauschen bieten die Voraussetzungen für die Versorgung von rauschempfindlichen Anwendungen wie PLLs, VCOs, Mischern und LNAs von sehr rauscharmen Instrumenten wie Prüf- und Messsystemen, von schnellen und hochgenauen Datenwandlern, medizinischen Anwendungen wie Bildgebungs- und Diagnose-Equipment sowie für den Einsatz als präzise Stromversorgung oder Nachregler für Schaltnetzteile.

Der LT3094 benötigt für den Betrieb einen Keramik-Ausgangskondensator von 10 µF, der die Stabilität und das Einschwingverhalten optimiert. Ein einziger Widerstand wird zum Programmieren der externen Präzisions-Strombegrenzung (±10 % Übertemperatur) benötigt. Der VIOC-Pin des Bausteins dient zur Steuerung eines vorangeschalteten Reglers um die Verlustleistung zu minimieren und optimale PSRR-Eigenschaften zu erreichen.

Ein einzelner Kondensator am SET-Anschluss mindert das Ausgangsrauschen und dient zum Softstart der Referenz, um Überschwinger der Ausgangsspannung beim Einschalten zu verhindern. Zu den eingebauten Schutzfunktionen des Bausteins gehören eine interne Strombegrenzung mit Foldback-Funktion und eine Temperaturbegrenzung (mit Hysterese). Als weitere Features sind eine Schnellstart-Fähigkeit (nützlich, wenn am SET-Pin ein großer Kondensator liegt) und ein Power-Good-Flag anzuführen. Der LT3094 ist der erste Negativ-LDO-Regler, der einen programmierbaren Schwellenwert bei Power Good bietet und signalisiert, dass die Ausgangsspannung geregelt wird.

Der Chip wird in thermisch optimierten, 3 mm x 3 mm großen DFN- und MSOP-Gehäusen mit 12 Anschlüssen angeboten, die beide einen kompakten Footprint aufweisen. Die E- und I-Versionen für einen Sperrschichttemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C sind ab Lager lieferbar.

Aus Stabilitätsgründen benötigt der LT3094 einen Kondensator am Ausgang, wobei angesichts der großen Bandbreite des Bausteins die Verwendung von Keramik-Kondensatoren mit niedrigen ESR- und ESL-Werten empfohlen wird. Im Interesse der Stabilität ist eine Ausgangskapazität von mindestens 10 µF bei einem ESR-Wert unter 30 mΩ und einem ESL-Wert von weniger als 1,5 nH erforderlich.

Angesichts des hohen PSRR-Werts (Bild 2) und des geringen Rauschens (Bild 3), das bereits mit einem einzigen Keramik-Ausgangskondensator von 10 µF erzielt wird, bringen größere Kapazitätswerte nur geringfügige Performance-Verbesserungen, da die Reglerbandbreite mit zunehmender Ausgangskapazität abnimmt. Folglich hat es nur wenig Sinn, Ausgangskondensatoren mit höherer Kapazität als den Mindestwert von 10 µF zu wählen. Größere Ausgangskapazitäten verringern die maximalen Ausschläge der Ausgangsspannung bei Lastsprüngen.

Vorteile durch Parallelschaltung mehrerer Bausteine

Höhere Ausgangsströme lassen sich durch das Parallelschalten mehrerer LT3094 erzielen (Bild 4). Hierfür sind alle SET-Pins und alle IN-Pins miteinander zu verbinden. Die OUT-Anschlüsse werden mithilfe kurzer Leiterbahnen, die als Ballastwiderstände dienen, miteinander verbunden, um die Ströme in den einzelnen Chips anzugleichen. Um den Ausgangsstrom noch weiter zu erhöhen und das Ausgangsrauschen zu reduzieren, lassen sich auch mehr als zwei LT3094 parallelschalten.

Die Minderung des Ausgangsrauschens ist proportional zur Quadratwurzel der Anzahl parallelgeschalteter Bauelemente. Das Parallelschalten mehrerer LT3094 ist ebenfalls nützlich, um die Wärme besser auf der Leiterplatte zu verteilen. In Anwendungen mit einem großen Unterschied zwischen Ein- und Ausgangsspannung kann ein Serienwiderstand am Eingang oder ein Widerstand parallel zum LT3094 ebenfalls zur Wärmeverteilung dienen. Bild 4 illustriert die Implementierung einer solchen Parallelschaltung.

Fazit: Die positiven LDO-Regler LT3042 (200 mA) und LT3045 (500 mA) und der neue, komplementäre negative LDO-Regler für 500 mA zeichnen sich durch gute Performance- und PSRR-Werte aus. Zusammen mit ihrem weiten Spannungsbereich, ihrer niedrigen Dropout-Spannung, ihren umfangreichen Schutzfunktionen, ihrer Robustheit und ihrer einfachen Anwendung machen diese Eigenschaften die Bausteine zur idealen Wahl für die rauschempfindliche, positive und negative Versorgungsspannungen beispielsweise für Prüf- und Messsysteme oder bildgebende medizinische Systeme.

Dank der auf einer Stromreferenz basierenden Architektur sind die Rausch- und PSRR-Werte unabhängig von der Ausgangsspannung. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit zur Parallelschaltung mehrerer Bausteine, um das ausgangsseitige Rauschen weiter zu mindern, den Ausgangsstrom anzuheben und die Wärme besser auf der Leiterplatte zu verteilen. LT3042, LT3045 und LT3094 sparen somit Zeit und Kosten, während sich die Leistungsfähigkeit der Applikationen gleichzeitig verbessert.

* Steve Knoth arbeitet als Senior Product Marketing Engineer bei Analog Devices in Wilmigton / USA.

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