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Power-Tipp Stromversorgungsrauschen in Abhängigkeit von der Spannung

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Um besonders rauscharme und möglichst störungsfreie Spannungen zu erzeugen, werden spezielle Linearregler eingesetzt. Diese werden üblicherweise als „Ultra Low Noise LDO“ bezeichnet.

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Bild 1: Prinzip-Skizze eines Linearreglers mit einstellbarer Spannung (ADP123)
Bild 1: Prinzip-Skizze eines Linearreglers mit einstellbarer Spannung (ADP123)
(Bilder: Analog Devices)

Beim Vergleich von unterschiedlichen Bausteinen ist auf ein Detail besonders zu achten. Wie verhält sich das Rauschen bei der tatsächlich eingestellten Ausgangsspannung? Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines typischen Linearreglers mit einstellbarer Spannung.

Die Ausgangsspannung wird über einen Widerstandsteiler dem Fehlerverstärker zugeführt. Dieser vergleicht die angepasste Ausgangsspannung mit einer internen Spannungsreferenz des Linearreglers. Der Fehlerverstärker steuert das Pass-Element, damit die Ausgangsspannung auf den eingestellten Wert geregelt wird. Vorhandenes Rauschen bei der Referenzspannung zeigt sich an der Ausgangsspannung im selben Faktor wie dem Teilungsfaktor des Widerstandsteilers.

Um die Auswirkung dieses Zusammenhangs besser zu verdeutlichen, sehen wir uns folgendes Beispiel an. Das Rauschen des ADP123 ist bei einer eingestellten Ausgangsspannung von 1,2 V mit 25 µVeff spezifiziert. Bei einer am Ausgang eingestellten Spannung von 3,3 V beträgt das Rauschen 55 µVeff. Jeweils im Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 100 kHz.

Bild 2: Regelschleife, die das Rauschen bei unterschiedlichen Spannungen konstant hält (ADP7157)
Bild 2: Regelschleife, die das Rauschen bei unterschiedlichen Spannungen konstant hält (ADP7157)
(Bild: Analog Devices)

Um diese Abhängigkeit des Rauschens von der eingestellten Spannung zu verhindern, gibt es ein Konzept, in welchem ein weiterer Operationsverstärker mit dem Verstärkungsfaktor Eins verwendet wird. Diese Schaltung ist in Bild 2 zu sehen. Es ist zu erkennen, dass der Widerstandsteiler nicht mehr zwischen der Ausgangsspannung und dem Fehlerverstärker platziert ist. Die Ausgangsspannung wird direkt in den Fehlerverstärker gespeist.

Um dennoch die Ausgangsspannung einzustellen, wird die Referenzspannung des Linearreglers mithilfe eines Widerstandsteilers angepasst und dem Fehlerverstärker durch einen Verstärkerpuffer mit der Verstärkung Eins zugeführt. Dadurch erhält man die Möglichkeit, die Ausgangsspannung eines Linearreglers einzustellen, jedoch keine erhöhten Rauschwerte bei höheren eingestellten Spannungen zu erhalten.

Das Rauschverhalten von unterschiedlichen Stromversorgungs-ICs ist also immer bei der tatsächlich gewünschten generierten Spannung zu vergleichen. Häufig ist die erste Seite eines Datenblattes nicht ausreichend, um dieses Detail zu erkennen. Neben Schaltungen mit Puffer, wie in Bild 2 gezeigt, besteht auch die Möglichkeit, einen Linearregler auszuwählen, welcher eine fest eingestellte Ausgangsspannung bei dem erforderlichen Wert hat. Hierbei werden typischerweise intern im Linearregler ähnliche Konzepte verwendet wie in diesem Artikel beschrieben.

* Frederik Dostal arbeitet im Technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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