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Störungsarme negative Spannungen erzeugen

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Filtern von Versorgungsspannungen: Linearregler eignen sich zum Filtern von positiven und negativen Versorgungsspannungen.
Filtern von Versorgungsspannungen: Linearregler eignen sich zum Filtern von positiven und negativen Versorgungsspannungen. (Bild: VCG)

Linearregler eignen sich zum Filtern von Versorgungsspannungen für störempfindliche Schaltungen, wenn man einige Punkte beachtet. Auch für negative Spannungen ist diese Art der Filterung sehr sinnvoll. Dieser Power-Tipp zeigt, wie es geht.

Linearregler eignen sich hervorragend zum Filtern von Spannungen, welche mit Schaltreglern erzeugt werden. Schaltregler haben immer eine gewisse Spannungswelligkeit am Ausgang. Diese können bei vielen Anwendungen, bei denen sehr kleine Signale verarbeitet werden, Störungen verursachen.

Zum Filtern der Ausgangsspannung eines Schaltreglers werden häufig passive Bausteine eingesetzt. Passive Filter wie beispielsweise LC-Filter (Bild 1) haben jedoch einige Nachteile. Manchmal ist der Platzbedarf, je nach erforderlicher Eckfrequenz des Filters, recht groß. Darüber hinaus können die Spulen teuer sein.

Der größte Nachteil eines passiven Filters ist aber die Tatsache, dass der Filter gewisse Verluste hinzufügt und sich je nach Betriebsstrom unterschiedliche Filterausgangsspannungen, Uout in Bild 1, ergeben. Die DC-Regelgenauigkeit der erzeugten Spannung ist also recht ungenau.

Linearregler werden gerne anstelle von passiven LC-Filtern zum Säubern einer vom Schaltregler erzeugten Spannung eingesetzt. Sie haben häufig einen sehr hohen Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR – Power Supply Rejection Ratio).

Das bedeutet, dass Spannungswelligkeiten am Eingang des Linearreglers größtenteils abgeblockt werden, sodass sie kaum auf der Ausgangsspannung des Linearreglers auftauchen. Zusätzlich ist die Ausgangsspannung eines Linearreglers durch die eigene Regelschleife sehr gut geregelt und hoch genau.

Linearregler unterscheiden sich voneinander auch in ihren Störungen, die sie durch ihre interne Referenzspannung sowie ihren internen Fehlerverstärker verursachen. Für Anwendungen, die besonders störungsarm sein müssen, gibt es spezielle, sogenannte „Ultra Low Noise“-Linearregler.

Das Konzept der Filterung einer von einem Schaltregler erzeugten Spannung mit einem Linearregler funktioniert nicht nur bei positiven Spannungen, sondern auch bei negativen Spannungen.

Bild 2 zeigt ein solches Beispiel. Eine typische Anwendung ist ein Gerät, in dem ein bipolares Signal zwischen –5V und 5V genauestens gemessen und mit einem A/D-Wandler digitalisiert werden soll.

Die Eingangsstufe des Signalpfades benötigt eine störungsarme, bipolare Versorgung mit einer positiven und einer negativen Spannung. Für den positiven Bereich gibt es sehr viele Linearregler auf dem Markt, die einen hohen Versorgungsspannungsdurchgriff und recht geringe Störungen bieten. Bei negativen Spannungen gibt es jedoch nur sehr wenige Linearregler, die für eine solche Anwendung geeignet sind.

Hier wurde gerade ein neuer Baustein auf den Markt gebracht, der zum Filtern von negativen Spannungen eingesetzt werden kann und einen sehr hohen PSRR-Wert und extrem geringe Störungen bietet. Durch ihn können Anwendungen versorgt werden, die empfindlich auf Störungen von der Versorgungsspannung reagieren.

Bild 3 zeigt den PSRR bei unterschiedlichen Frequenzen. Geht man von einer Schaltfrequenz von 1 MHz des Schaltreglers aus, bietet der Linearregler LT3094 einen PSRR von ca. 75 dB. Die Störungen liegen bei 0,8 µVeff zwischen 10 Hz und 100kHz.

Fazit: Nicht nur im positiven Spannungsbereich eignen sich Linearregler zum Filtern von Versorgungsspannungen für störem­pfindliche Schaltungen. Auch für negative Spannungen ist diese Art der Filterung sehr sinnvoll. Allerdings ist das Angebot von speziellen „Low noise“-Typen für negative Spannungen überschaubar. Der LT3094 ist so ein Baustein.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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