La progettazione di una piattaforma hardware deve considerare molti aspetti e il gestore della piattaforma deve essere scelto con cura. Sempre più piattaforme utilizzano delle PLD per la gestione, il perché è facile da capire.
Per un progettista elettronico reperire lo schema di un regolatore lowdropout è piuttosto semplice; poche applicazioni, però, sono sviluppate per garantire allo stesso tempo un bassissimo livello di rumore. Prendiamo, per esempio, un regolatore piuttosto diffuso, il MAX8887 della Maxim IC.
Il datasheet riporta una tensione di rumore di circa 42uV rms; in figura 4 si può osservare la tipica configurazione del regolatore. In certe applicazioni, come per esempio per gli oscillatori da strumentazione, è necessario arrivare a fornire una tensione di alimentazione caratterizzata da un bassissimo livello di rumore. Per raggiungere questo obbiettivo si può utilizzare il circuito di figura 1.
Figura 1: regolatore di tensione low-dropout a bassissimo rumore.
Figura 2: circuito semplificato per l’analisi del rumore.
Figura 3: densità di rumore in funzione della frequenza per il nostro circuito e per un regolatore con MAX8887.
Questo circuito combina componentistica a basso rumore con un filtraggio supplementare, per arrivare a garantire un livello di rumore di circa 6nV/ÖHz. Il circuito è composto da un riferimento di tensione IC1, un Maxim MAX6126 che fornisce un’uscita a basso rumore. La tensione in uscita è di 2.048 V con un’accuratezza inferiore allo 0.06%. In figura 5 si può vedere un grafico del rumore in uscita per frequenze tra 0.1Hz e 10Hz, con dei valori veramente bassi. Un filtro passa basso (figura 6) composto da R1-C1 riduce il rumore attenuando le frequenze oltre la frequenza di taglio di IC1, 0.16Hz. Il riferimento di tensione filtrato pilota l’ingresso invertente di un amplificatore di errore IC2, un Maxim MAX4475. L’amplificatore regola la tensione d’uscita attraverso Q1, un MOSFET di potenza a canale P. Le resistenze R2 e R3 funzionano da feedback determinando una tensione d’uscita ricavabile dalla relazione:
In figura 2 si può vedere lo schema semplificato, in cui si osservano tutte le possibili fonti che contribuiscono, utile per lo studio del rumore. Il filtro passa basso R1-C1, come detto, attenua il rumore alle frequenze alte sul riferimento di tensione. Il rumore sulla corrente dell’amplificatore operazionale è di 0.5 fA/ÖHz, perciò trascurabile rispetto al rumore sulla tensione di 4.5 nV/ÖHz. Il rumore sul riferimento di tensione si somma al rumore dell’amplificatore poiché sono collegati in serie. Il rumore generato dal MOSFET si manifesta all’ingresso sul gate di Q1. Il rumore al terminale invertente di IC2 sarà pari a quello sul terminale non invertente, perciò si ha:
dove VN_OUT rappresenta l’uscita della tensione di rumore del circuito di low dropout, VN_REF rappresenta il rumore del riferimento, VN_OPAMP è il rumore in ingresso all’amplificatore operazionale e H(f) è la funzione di trasferimento del filtro passa basso. Se la frequenza di interesse cade sotto la frequenza di taglio del filtro, il rumore associato al riferimento di tensione risulta trascurabile, perciò la formula precedente si semplifica e rimane solo il rumore dell’amplificatore moltiplicato per l’anello di guadagno composto dalle resistenze R2 e R3. L’anello di retroazione attenua VN_FET, ossia il rumore dovuto al MOSFET, che così non contribuisce al rumore in uscita. Per le frequenze in banda passante, il circuito riduce il ripple ed il rumore introdotti attraverso l’alimentazione. In figura 3 è tracciata su un grafico la densità di rumore rispetto alla frequenza per il circuito in questione di figura 1. Si può osservare un livello di rumore base di circa 6 nV/ÖHz ad 1 KHz. Per confronto, viene anche tracciato il grafico con il livello di rumore dello strumento di misura ed un tipico livello di rumore di un circuito regolatore low dropout realizzato con il MAX8887. In questo caso, a frequenza 1KHz, siamo sui 500 nV/ÖHz come livello di rumore. Il nostro circuito presenta un livello di rumore inferiore di ben 38 dB.
Figura 4: regolatore low dropout con MAX8887 (datasheet Maxim).
Figura 5: rumore sul segnale d’uscita del riferimento di tensione ottenuto con il MAX6126 (VIN=5V, CLOAD = 0.1 F, IOUT = 0, TA = +25°C) (datasheet Maxim).
Figura 6: filtro passa basso R1-C1.
