Анализ собственной компенсации шумов источника опорного напряжения в непрерывных компенсационных стабилизаторах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В современной микроэлектронике широкое применение получили непрерывные стабилизаторы напряжения (СН), которые стали основой многих серийных микросхем (HMC976LP3E, LP3999, ADP221, LTC1844, LTC1844 и др.). Существенный недостаток таких СН состоит в том, что для уменьшения уровня выходных шумов, обусловленных источником опорного напряжения, приходится применять конденсаторы большой емкости, шунтирующие низкоомный выход СН и его нагрузку. Это не позволяет создавать непрерывные СН, обеспечивающие электропитанием транзисторные узлы «систем на кристалле» (СнК), реализуемые по многим перспективным технологическим процессам.

В настоящей работе рассматриваются структуры стабилизаторов, обладающих эффектом собственной компенсации шумов источника опорного напряжения при сравнительно малых значениях емкостей используемых конденсаторов.

На рис. 1 показан метод выделения шумовой составляющей (uш) источника опорного напряжения VD1, который может быть выполнен, например, по классическим схемам Видлара или в виде традиционного стабилитрона:

(1)

где Uст - постоянная составляющая напряжения на источнике опорного напряжения VD1;

- некоторое переменное напряжение, связанное с наличием шумов, различных помех, наводок и т.п. на источнике опорного напряжения VD1 (ИОН).

Рис. 1. Метод выделения «шумовой» составляющей источников опорного напряжения

В классической схеме стабилизатора выходное напряжение связано с напряжением Uст(t) на источнике опорного напряжения известным соотношением:

, (2)

Коэффициент передачи резистивного делителя напряжения:

Т - петлевое усиление стабилизатора.

Причем:

стабилитрон резистивный петлевой шумовой

, (3)

где Rн.экв - эквивалентное сопротивление цепи нагрузки на выходе СН (Вых);

Ki1, Ki2 - коэффициенты передачи по току регулирующего элемента РЭ по первому инвертирующему и второму неинвертирующему входам;

h11.1=h11.2 - h-параметры транзисторов VT1 и VT2 в схеме с общей базой ( Ом).

Если , что обеспечивается , , то:

(4)

Следовательно, в первом приближении переменная (шумовая) составляющая выходного напряжения СН в N1-раз больше, чем напряжение шумов uш источника опорного напряжения, где:

(5)

Для уменьшения напряжения шумов на выходе СН, как правило, вводится корректирующая емкость С1, эквивалентная постоянная времени которой:

, (6)

Как следует из (6), для получения больших значений , т.е. эффективного подавления низкочастотных помех и шумов, приходится выбирать достаточно большие значения емкости конденсатора С1, так как . Во многих случаях это неприемлемо, так как из-за существенных геометрических размеров конденсатора С1 он не всегда может располагаться на подложке «системы на кристалле» и/или « системы в корпусе».

На рисунке 2 представлены архитектуры цепей собственной компенсации шумов ИОН с интегрирующим (а) и дифференцирующим (б) RC-фильтрами.

Рис. 2. Методы собственной компенсации шума источника опорного напряжения с дифференцирующим RC-фильтром

Будем считать, что постоянная времени конденсатора С1 в схеме рис. 2 выбрана такой, что в анализируемом частотном диапазоне шумов (помех, наводок) напряжение между входами дифференциального усилителя ДУ2 равно напряжению шумов uш между входами усилителя сигнала рассогласования ДУ1, т.е. . В этом случае входные токи i1 и i2 регулирующего элемента (РЭ):

, (7)

, (8)

, (9)

(10)

Если обеспечить равенства , то на входах 1 и 2 и, следовательно, на выходе СН будет отсутствовать переменное напряжение шума, связанное с шумом источника опорного напряжения ИОН. В то же время для постоянной составляющей выходного напряжения СН справедливо уравнение:

, (11)

так как дополнительный усилитель ДУ1 не влияет на работу схемы в статическом режиме.

На рис. 3 показаны результаты моделирования схемы в САПР Cadence Virtuoso на моделях 0,6 мкм БиКМОП техпроцесса XB06 фирмы «X-Fab».

Рис. 3 Коэффициент передачи шума схемы от источника опорного напряжения на выход при различных емкостях C1

Была снята зависимость коэффициента передачи шума СН от источника опорного напряжения ИОН к выходу СН при значениях емкости корректирующего конденсатора С1, изменяющегося в пределах от 500пФ до 100мкФ. Из этого рисунка следует, что при увеличении емкости корректирующего конденсатора С1 расширяется в сторону низких частот диапазон ослабления шумов источника опорного напряжения. Так, при С1=100 мкФ можно наблюдать ослабление шумов больше в четыре раза в диапазоне от 10 Гц до 10 МГц.

Таким образом, в предлагаемой схеме рис. 2 обеспечивается подавление переменных шумов, помех и наводок, присутствующих в выходном напряжении опорного источника ИОН. При этом диапазон частот, в котором это подавление обеспечивается, зависит от численных значений постоянной времени . Учитывая, что резистор R4 может иметь значения сопротивлений в единицы-десятки кОм, можно сделать вывод о том, что численные значения емкости конденсатора С1, обеспечивающего эффективное подавление шумов uш в заданном диапазоне частот, в предлагаемой схеме в Nc-раз меньше, чем в классическом СН, где:

(12)

Следовательно, при одинаковых значениях емкости конденсатора С1 в схемах рис. 1 и рис. 2 предлагаемые цепи компенсации обеспечивают более эффективное подавление шумов ИОН.

На рис. 4 представлена зависимость выходного и входного шума (или помехи) от частоты при емкости корректирующего конденсатора C1=4,5 мкФ в СН рис. 2. На частоте 50 Гц выходной шум равен входному, а выше по частоте он начинает уменьшаться, достигая значения шума в 1,66 раза меньше, чем входной шум на частоте 100 Гц и 76,6 раза на частоте 10 кГц.

Рис. 4. Выходной шум схемы при емкости С1=4,5 мкФ

Таким образом, компьютерное моделирование подтверждает результаты качественного анализа. Реализация методов собственной компенсации шумовой составляющей источника опорного питания позволяет существенно понизить коэффициент шума в сравнении с классической схемой СН при сравнительно небольших значениях емкости корректирующего конденсатора.

Размещено на Allbest.ru