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La riduzione del rumore nei regolatori LDO

La riduzione del rumore nei regolatori LDO

I regolatori di tensione a basso drop-out (LDO) sono ben noti e apprezzati dai progettisti elettronici, soprattutto in virtù della loro ottima stabilità e della capacità intrinseca di provocare una caduta di potenziale minima sulla tensione in uscita. Il rumore, tuttavia, è un fattore che se non controllato può compromettere la qualità ottenibile da questi componenti. Vediamo in questo articolo quali tecniche possono essere impiegate per ridurre efficacemente il rumore nei regolatori LDO.

Introduzione

Lo schema a blocchi più semplice di un LDO è visibile in Figura 1. Qui possiamo osservare come un regolatore a basso drop-out consista di tre componenti principali: una tensione di riferimento (REFERENCE, o VREF), un amplificatore di errore (AMP), un partitore di tensione resistivo (che preleva la tensione in uscita, VOUT, e la porta su uno degli ingressi dell’amplificatore di errore), e infine un elemento passante collegato in serie, normalmente rappresentato da un transistor bipolare o CMOS. La corrente di uscita è controllata dal transistor PMOS, il quale a sua volta è controllato dall’amplificatore di errore. Il funzionamento è il seguente: l’amplificatore confronta la tensione di riferimento con la tensione di retroazione (proveniente dal partitore di tensione resistivo), e ne amplifica la differenza (cioè, l’errore). Se la tensione di retroazione è minore della tensione di riferimento, il gate del transistor PMOS viene tirato basso, aumentando il flusso di corrente e di conseguenza la tensione di uscita. Se invece la tensione di retroazione è maggiore della tensione di riferimento, il gate del PMOS viene tirato alto, riducendo il flusso di corrente e la tensione di uscita. Si tratta quindi di un sistema di controllo ad anello chiuso, basato su due poli: un polo interno composto dall’amplificatore di errore e dal transistor, e un polo esterno composto dalla resistenza equivalente serie (ESR) del condensatore di uscita.

Figura 1: schema a blocchi semplificato di un regolatore a basso drop-out

L’ESR del condensatore di uscita contribuisce sia alla stabilità del loop di controllo, che alla risposta al transitorio. Quest'ultima è un indice di come l’LDO si comporta (in particolare, quanto stabile si mantiene la tensione in uscita) a fronte di rapide variazioni della corrente del carico. I moderni regolatori LDO sono progettati per garantire un’elevata stabilità sui range di temperatura e di tensione specificati nel datasheet del componente. I principali criteri per la selezione di un LDO sono i seguenti:

  • range della tensione in ingresso;
  • tensione in uscita: fissa o variabile;
  • accuratezza della tensione in uscita rispetto alle variazioni della tensione di ingresso, del carico, e della temperatura;
  • massima corrente di uscita;
  • massima tensione di drop-out;
  • rapporto di reiezione dell’alimentazione (PSRR);
  • rumore in uscita;
  • corrente in assenza di carico e corrente di shutdown.

Il PSRR (Power Supply Rejection Ratio) è un fattore molto importante nella scelta di un LDO, in quanto indica la capacità del componente di prevenire fluttuazioni della tensione di uscita a seguito di variazioni della tensione di ingresso. Il PSRR viene solitamente specificato a una determinata frequenza, ad esempio reiezione di 60 dB a 120 Hz.

Il rumore

Il rumore è un parametro di fondamentale importanza per i progettisti che si occupano di circuiti analogici con elevate prestazioni. Il rumore interessa soprattutto i segnali di clock di alta frequenza, i convertitori analogico-digitale (ADC), i convertitori digitale-analogico (DAC), gli oscillatori controllati in tensione (VCO), e i PLL. La chiave per ridurre il rumore presente nella tensione di uscita consiste nel mantenere il guadagno di anello chiuso in alternata il più possibile prossimo all’unità, senza compromettere le prestazioni e il guadagno di anello chiuso in continua. In questo articolo vedremo come utilizzare una normale rete RC per ridurre il rumore in uscita di un regolatore LDO con tensione regolabile. Oltre alla riduzione del rumore (Noise Reduction, o NR), verranno presi in considerazione anche gli effetti prodotti sul rapporto di reiezione dell’alimentazione (PSRR) e sulla risposta al transitorio. In Figura 2 possiamo osservare uno schema a blocchi dettagliato di un tipico regolatore LDO con uscita regolabile. La tensione di uscita VOUT risulta essere funzione della tensione di riferimento VR e del guadagno di anello chiuso in continua dell’amplificatore di errore. Per ottenere la tensione di uscita, la tensione di riferimento va moltiplicata per il guadagno di anello chiuso in continua. L’equazione è la seguente:

VOUT = VR x (1 + R1/R2)

dove 1 + R1/R2 è il guadagno di anello chiuso in continua. Il rumore dell’amplificatore di errore (VN) viene anch’esso moltiplicato per lo stesso fattore, risultando in un rumore che cresce proporzionalmente con la tensione di uscita. Quando la tensione di uscita è inferiore al doppio della tensione di riferimento, si verifica solo un modesto incremento del rumore; questo lieve incremento, tuttavia, può essere inaccettabile per numerosi tipi di applicazioni.

Figura 2: schema a blocchi dettagliato di un LDO con uscita variabile, con in evidenza la sorgente interna di rumore

LDO e rumore

Le principali fonti di rumore negli LDO sono rappresentate dal riferimento di tensione interno e dall’amplificatore di errore. I più recenti modelli di LDO sono in grado di operare con correnti di bias interne di poche centinaia di nanoampere, e correnti a riposo di 15 μA o inferiori. Al fine di ottenere un basso valore di corrente di bias, occorre utilizzare resistenze di bias di valore molto elevato, anche fino a 1 GΩ. Operando con basse correnti di bias, si incrementa il rumore sia nell’amplificatore di errore che nella tensione di riferimento. Poiché gli LDO utilizzano solitamente un partitore di tensione resistivo per generare la tensione di uscita, il guadagno di anello chiuso in alternata è uguale al guadagno di anello chiuso in continua più uno. Il guadagno di rumore dell’amplificatore di errore è inoltre pari al guadagno di anello chiuso in alternata. [...]

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2 Commenti

  1. Stefano Lovati Stefano Lovati 19 febbraio 2019
  2. Giordana Francesca Brescia Giordana Francesca Brescia 21 febbraio 2019

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