Le applicazioni sensibili al rumore richiedono regolatori LDO con livelli ultrabassi di rumore

I regolatori lineari sono circuiti integrati che riducono il valore di una tensione senza bisogno di un induttore. Il regolatore lineare LDO (low dropout) ricade in una particolare tipologia di regolatori lineari, in cui la caduta di tensione – la differenza tra le tensioni di ingresso e uscita necessaria per assicurare la regolazione – in genere è minore di 400mV. I primi progetti di regolatori lineari offrivano cadute di tensione pari a circa 1,3V, così che per un ingresso di 5V, la massima uscita ottenibile era uguale a soli 3,7V affinché il dispositivo rimanesse nel campo di regolazione. Più recentemente, si considera “bassa” una caduta di tensione quando è uguale a 500mV o inferiore. Ciò nonostante, ora che le tecniche progettuali e i processi di fabbricazione dei wafer si fanno più sofisticati, una caduta di tensione “bassa” è in genere approssimativamente <100-300mV.  Inoltre, sebbene il regolatore LDO raramente sia il componente più costoso di un dato sistema, spesso è uno dei più preziosi sulla base del rapporto costo/benefici. 

Panoramica sullo stato dell’arte

Uno dei compiti di un regolatore LDO consiste nel proteggere costosi carichi a valle da condizioni ambientali avverse come transitori di tensione, rumore dell’alimentatore, tensione inversa, sovracorrenti, ecc. In breve, il suo progetto deve essere robusto e inoltre presentare tutte le funzioni necessarie per mettere il dispositivo “al riparo” dall’ambiente, al tempo stesso assicurando la protezione del carico. Molti regolatori lineari LDO (per una panoramica consultare il seguente link) dal costo contenuto non dispongono delle necessarie funzioni di protezione e quindi si guastano, spesso causando danni non solo al regolatore stesso ma anche al carico a valle.

Regolatori LDO rispetto ad altre tipologie

La regolazione e la conversione in discesa con bassa caduta di tensione sono ottenibili con molteplici metodi. I regolatori a commutazione funzionano con elevata efficienza in un ampio intervallo di tensioni ma richiedono componenti esterni come induttori e condensatori ai fini del funzionamento, per cui occupano uno spazio relativamente grande sulla scheda. Le pompe di carica senza induttori (o i convertitori di tensione con condensatori a commutazione) sono pure impiegabili per ottenere la conversione a tensioni inferiori ma esistono limiti sulla corrente di uscita che può essere prodotta, hanno prestazioni scadenti in caso di transitori e richiedono un numero maggiore di componenti esterni rispetto a un regolatore lineare.  La generazione odierna di circuiti integrati digitali a bassa tensione, veloci e a corrente maggiore, come gli FPGA, DSP, CPU, GPU e ASIC, ha posto richieste difficili sugli alimentatori del core e dei canali I/O. Tradizionalmente, per alimentare questi dispositivi si sono utilizzati efficienti regolatori a commutazione che però possono presentare problemi di interferenza da rumore oltre a limitazioni sul layout e sulla risposta al transitorio. I regolatori LDO stanno pertanto diventando una soluzione alternativa sia in queste applicazioni che in altri sistemi a bassa tensione. Grazie a recenti innovazioni progettuali e miglioramenti delle caratteristiche, i regolatori LDO offrono alcuni vantaggi in termini di prestazioni che li rendono più desiderabili.  Inoltre, per quanto riguarda l’alimentazione di dispositivi RF/analogici sensibili al rumore (come quelli spesso presenti in sistemi di test e misure, in cui la precisione delle misure eseguite sulla macchina o sull’apparecchiatura deve essere di ordini di grandezza superiore rispetto alla grandezza misurata), in genere si preferiscono i regolatori LDO rispetto a quelli a commutazione. I regolatori LDO a basso rumore alimentano un’ampia gamma di dispositivi RF/analogici: sintetizzatori di frequenza (PLL/VCO), modulatori e mixer a radiofrequenza, convertitori (A/D e D/A) a elevata risoluzione e velocità, e sensori di precisione. Ma queste applicazioni hanno raggiunto sensibilità che stanno mettendo alla prova i limiti dei convenzionali regolatori LDO a basso rumore. Ad esempio, in molti VCO avanzati, il rumore dell’alimentatore influisce direttamente sul rumore di fase (jitter) all’uscita del VCO. Non solo: per soddisfare i requisiti sull’efficienza complessiva del sistema, di solito il regolatore LDO regola l’uscita di un convertitore a commutazione relativamente rumoroso, per cui diventa importantissimo il valore ad alta frequenza del rapporto di reiezione del ripple dell’alimentatore (PSRR, power supply rejection ratio: per un approfondimento consultare il seguente link) del regolatore stesso.

Problemi di progettazione dei regolatori LDO

Moltissimi regolatori lineari standard nel settore funzionano a bassa caduta di tensione con un singolo alimentatore, ma la maggior parte non può ottenere la combinazione di conversione a tensione molto bassa e di basso rumore di uscita, ampi intervalli delle tensioni di ingresso/uscita e molteplici funzioni di protezione. I regolatori LDO PMOS producono la caduta di tensione e funzionano con un singolo alimentatore ma sono limitati a basse tensioni d’ingresso a causa delle caratteristiche Vgs del pass-transistor oltre che dell’assenza di molte funzioni di protezione delle quali sono dotati i regolatori a elevate prestazioni. I dispositivi basati su NMOS offrono risposta al transitorio rapida ma richiedono due alimentatori per la polarizzazione. I regolatori NPN offrono ampio intervallo della tensione di ingresso e uscita ma richiedono due tensioni di alimentazione o hanno caduta di tensione maggiore. Invece, quando progettato con l’appropriata architettura, un regolatore PNP può conseguire bassa caduta di tensione, alta tensione d’ingresso, bassi livelli di rumore, elevato PSRR e conversione a tensione molto bassa con protezione “blindata” e il tutto mediante una singola linea di tensione di alimentazione.  Per ottimizzare l’efficienza complessiva, molti circuiti RF e analogici a elevate prestazioni vengono alimentati tramite regolatori LDO che regolano l’uscita di un convertitore a commutazione. Ciò richiede un PSRR elevato e basso rumore della tensione di uscita a bassi valori della differenza tra ingresso e uscita ai capi del regolatore LDO. Grazie all’elevato rapporto di reiezione del ripple dell’alimentatore, il regolatore LDO filtra e blocca agevolmente il rumore generato all’uscita del circuito di commutazione senza bisogno di voluminosi componenti dei filtri, mentre il basso rumore della tensione di uscita su una vasta larghezza di banda è vantaggioso per le moderne linee di tensione, in cui la sensibilità al rumore è un fattore essenziale. Un basso rumore della tensione di uscita a correnti elevate è ovviamente una specifica necessaria.

Una nuova famiglia di regolatori LDO con PSRR ultra-alto e rumore ultrabasso

È evidente che una soluzione LDO che risolva i problemi fin qui esposti debba presentare i seguenti attributi:

  • Rumore all’uscita molto basso.
  • Funzionamento con bassa caduta di tensione .
  • PSRR elevato in un’ampia gamma di frequenze.
  • Funzionamento con un singolo alimentatore (ai fini della facilità d’uso e di riduzione dei problemi di sequenziazione degli alimentatori).
  • Risposta al transitorio rapida.
  • Funzionamento in un ampio intervallo di tensione di ingresso e uscita.
  • Corrente di uscita moderata.
  • Prestazioni termiche eccellenti.
  • Ingombro ridotto

Per rispondere a queste specifiche esigenze, Linear Technology ha introdotto la famiglia LT304x di regolatori LDO a PSRR ultra-alto e rumore ultrabasso, il cui membro più recente è l’LT3045, un regolatore lineare a bassa caduta di tensione con PSRR ultra-alto e rumore ultrabasso, e che costituisce una versione a corrente di uscita più alta rispetto al regolatore LDO a rumore ultrabasso LT3042 da 200mA introdotto in precedenza.

Le caratteristiche progettuali uniche dell’LT3045 sono numerose: spot noise ultrabasso, pari a soli 2nV/√Hz a 10kHz, e valore efficace di 0,8µV del rumore di uscita integrato in una notevole larghezza di banda: da 10Hz a 100kHz. Il PSRR a bassa frequenza supera 90dB sino a 10kHz e il PSRR ad alta frequenza supera 70dB sino a 2,5MHz, silenziando quindi alimentatori all’ingresso con ripple elevato o rumorosi. Il modello LT3045 si appoggia all’architettura LDO proprietaria di Linear – un generatore di corrente di precisione seguito da un buffer a guadagno unitario dalle prestazioni elevate – che assicura prestazioni praticamente costanti per quanto riguarda larghezza di banda, rumore, PSRR e regolazione del carico, indipendentemente dalla tensione di uscita. Inoltre, questa architettura consente di collegare in parallelo più LT3045 per ridurre ulteriormente il rumore, aumentare la corrente di uscita e distribuire il calore generato sulla scheda di circuiti stampati ottenendo così prestazioni termiche superiori.

Il regolatore LT3045 genera una corrente di uscita sino a 500mA con caduta di tensione di 260mV a pieno carico, in un ampio intervallo delle tensioni d’ingresso: da 1,8V a 20V. L’intervallo delle tensioni di uscita è compreso fra 0V e 15V, mentre la tolleranza sulla tensione di uscita è molto precisa, a ±2% in funzione della tensione di linea, del carico e della temperatura. Gli ampi intervalli della tensione di ingresso e uscita, la vasta larghezza di banda, l’elevato PSRR e il rumore ultrabasso rendono questo regolatore ideale quando occorre alimentare sistemi sensibili al rumore come PLL / VCO / mixer / amplificatori a basso rumore (LNA), strumentazione che richiede livelli molto bassi di rumore, convertitori di dati a elevata velocità/precisione, dispositivi in applicazioni medicali come generazione delle immagini e diagnostica, alimentatori di precisione e anche come post-regolatore per alimentatori a commutazione.  Il regolatore LT3045 funziona con un compatto condensatore di uscita ceramico da 10µF dal costo contenuto, ottimizzando la stabilità e la risposta al transitorio. Con un singolo resistore esterno si può programmare con precisione il limite di corrente (±10% in funzione della temperatura). Un singolo condensatore con pin SET riduce il rumore di uscita e fornisce funzionalità soft-start di riferimento, prevenendo una sovraelongazione della tensione di uscita all’accensione. Non solo: appositi circuiti interni del dispositivo proteggono contro l’inversione di polarità della batteria e l’inversione della corrente oltre a garantire il limite di corrente con foldback e il limite termico con isteresi. Altre funzionalità: avvio veloce (utile se si utilizza un condensatore con pin SET di capacità elevata) e flag power good con soglia programmabile per indicare la regolazione della tensione di uscita. La Figura 1 mostra uno schema applicativo tipico.  Il regolatore LT3045 è disponibile in due package entrambi compatti e dotati di dissipatore avanzato: un DFN da 3mm x 3mm a 10 conduttori (piedinatura compatibile con il modello LT3042) e un MSOP a 12 conduttori. Entrambe le versioni, E e I, sono disponibili in stock e presentano temperatura di giunzione di esercizio compresa fra –40°C e 125°C.   Una versione H per temperature maggiori, in fase di sviluppo, offrirà un intervallo nominale da –40°C a 150°C.

Figura 1. Caratteristiche e schema applicativo tipico del regolatore LT3045

Figura 1: Caratteristiche e schema applicativo tipico del regolatore LT3045

Ai fini della stabilità, il regolatore LT3045 richiede un condensatore di uscita, che a causa dell’ampia larghezza di banda del dispositivo deve essere ceramico e presentare bassi valori della resistenza in serie effettiva (ESR) e delle perdite elettriche parassite (ESL); la capacità deve essere uguale ad almeno 10µF, la ESR inferiore a 20mΩ e il valore ESL inferiore a 2nH. Poiché impiegando un singolo condensatore di uscita ceramico da 10µF si ottengono un PSRR elevato e bassi livelli di rumore (vedere le figure 2 e 3), valori maggiori della capacità di uscita migliorano solo in modo limitato le prestazioni in quanto la larghezza di banda del regolatore diminuisce all’aumentare di tale capacità oltre il valore minimo di 10µF.

Figura 2: Prestazioni dell’LT3045 in termini del PSRR

 

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Figura 3: Prestazioni dell’LT3045 in termini del rumore di uscita

Vantaggi di dispositivi in parallelo

Per ottenere una corrente di uscita maggiore basta collegare in parallelo più circuiti integrati LT3045, semplicemente collegando fra di loro tutti i pin SET e tutti i pin IN. I pin OUT vanno collegati fra di loro mediante brevi tratti della traccia sulla scheda di circuiti stampati (utilizzata come resistore ballast) per equalizzare le correnti generate dai vari LT3045. È possibile anche collegare in parallelo più di due LT3045 per aumentare ulteriormente la corrente di uscita e ridurre ancora di più il rumore di uscita. Il collegamento in parallelo di più LT3045 è utile anche per distribuire il calore sulla scheda. Per applicazioni con un elevato differenziale di tensione ingresso-uscita, per distribuire il calore si può utilizzare anche un resistore in serie all’ingresso o un resistore in parallelo con l’LT3045 . Vedere la Figura 4 per un’implementazione del circuito con collegamento in parallelo.

Figura 4. Funzionamento in parallelo dell’LT3045

Figura 4. Funzionamento in parallelo dell’LT3045

Nella Tabella 1 che segue sono riportati i membri della famiglia di regolatori LDO a PSRR ultra-alto e rumore ultrabasso sviluppati da Linear.

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Tabella 1. Regolatori LDO a PSRR ultra-alto e rumore ultrabasso [* I package DFN sono compatibili per quanto riguarda la piedinatura ]

Conclusione

Gli eccezionali livelli del PSRR e del rumore offerti dai regolatori LT3042 e LT3045, unitamente all’ampio intervallo di tensioni, alla bassa caduta di tensione, alla robustezza e alla facilità d’uso, ne fanno una soluzione ideale per l’alimentazione di dispositivi in applicazioni sensibili al rumore come i sistemi di test e misure. Grazie all’architettura basata su un riferimento di corrente, i valori del rumore e del PSRR rimangono indipendenti dalla tensione di uscita. Inoltre, è possibile collegare direttamente in parallelo più regolatori per ridurre ulteriormente il rumore di uscita, aumentare la corrente di uscita e distribuire il calore generato sulla scheda di circuiti stampati.

A cura di

Amit P. Patel Senior Design Engineer, e Steve Knoth Senior Product Marketing Engineer,

Power Products  Linear Technology Corporation

 

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 30 ottobre 2016

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