È possibile attenuare il rumore di qualsiasi PSU di commutazione se metto un regolatore lineare prima dell'uscita?

Un amico mi ha detto che il rumore di qualsiasi PSU di commutazione può essere attenuato se metto un regolatore lineare prima dell'uscita. È vero?

Ad esempio, se voglio alimentare un amplificatore operazionale + -12 V per un amplificatore, posso usare un alimentatore switching (SMPS), diciamo, con un'uscita rumorosa di 15 V e quindi dall'uscita SMPS alimentare un LM7812 e un LM7912 .

L'uscita da LM7812 e LM7912 ora avrà un rumore molto molto basso rispetto ai loro ingressi?

Se questo è vero, questo è sorprendente poiché non è più necessario utilizzare un trasformatore.

È davvero corretto che non sia più necessario un alimentatore pesante che utilizza un trasformatore per amplificatori di classe A e B?

Sì, è vero che l'aggiunta di un regolatore lineare dopo un SMPS (alimentatore switching) ridurrà il rumore, ma è ancora necessaria attenzione. I risultati possono essere molto buoni, ma il risultato potrebbe non essere buono come se fosse stato utilizzato un trasformatore alimentato da rete più un regolatore lineare.

Prendi in considerazione un comune regolatore LM7805 5V di Fairchild. Questo ha una specifica "ripple ripple" di almeno 62 dB. "Increspatura" è il rumore in ingresso ma di solito è correlato alle variazioni della frequenza di rete doppia rispetto all'ingresso di rete rettificato e livellato. Questa è una riduzione del rumore di 10 ^ (dB_noise_rejection / 20) = 10 ^ 3.1 ~ = 1250: 1 Cioè, se ci fosse 1 Volt di "ripple" all'ingresso, questo verrebbe ridotto a 1 mV in uscita. Tuttavia, questo valore viene specificato a 120 Hz = due volte la frequenza di rete negli USA e non viene fornita alcuna specifica o grafico per la riduzione del rumore a frequenze più elevate.

Il regolatore LM340 5V funzionalmente identico di NatSemi ha una specifica leggermente migliore (68 dB minimo, 80 dB tipico = 2500: 1 a 10.000: 1) a 120 Hz.
Ma NatSemi fornisce gentilmente anche un grafico delle prestazioni tipiche alle frequenze più alte (angolo in basso a sinistra di pagina 8).

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Si può vedere che per il rifiuto dell'ondulazione in uscita a 5 V è sceso a 48 dB a 100 kHz (= 250: 1). Si può anche vedere che sta cadendo in modo lineare a circa 12 dB per decennio (60 dB a 10 kHz, 48 dB a 100 kHz). Estrapolare questo a 1 MHz produce una reiezione del rumore di 36 dB a 1 Mhz (riduzione del rumore ~ ​​= 60: 1 ) . Non esiste alcuna garanzia che questa estensione a 1 MHz sia realistica, ma il risultato reale non sarà una lettera di questo e dovrebbe (probabilmente) non essere molto peggio.

Poiché la maggior parte delle forniture (ma non tutte) degli smps funzionano nell'intervallo da 100 kHz a 1 MHz, si può affermare che il rifiuto del rumore sarà dell'ordine di 50: 1 a 250: 1 nell'intervallo 100-1000 kHz per le frequenze di rumore fondamentali. Tuttavia, gli smps avranno un'uscita diversa dalla loro fondamentale frequenza di commutazione, spesso molto più alta. Picchi a lievitazione rapida molto sottili che possono verificarsi sui fronti di commutazione a causa dell'induttanza di dispersione nei trasformatori e simili saranno meno attenuati rispetto al rumore a bassa frequenza.

Se si stesse usando un smps da solo, di solito ci si aspetterebbe di fornire una qualche forma di filtro di uscita e l'uso di filtri LC passivi con un post regolatore lineare aumenterà le sue prestazioni.

È possibile ottenere regolatori lineari con rifiuto dell'ondulazione sia migliore che peggiore rispetto all'LM340 - e quanto sopra mostra che due circuiti integrati funzionalmente identici possono avere specifiche leggermente diverse.

L'eliminazione del rumore dagli smps sarà notevolmente aiutata da un buon design. Il soggetto è troppo complesso che per fare di più che menzionarlo qui, ma su Internet c'è molto di buono su questo argomento (e nelle precedenti risposte di scambio di stack). I fattori includono l'uso corretto dei piani di massa, la separazione, la riduzione al minimo dell'area nei circuiti di corrente, la non interruzione dei percorsi di ritorno della corrente, l'identificazione dei percorsi di flusso di corrente elevati e la loro distanza breve e lontana dalle parti sensibili del rumore del circuito (e molto altro).

Quindi - sì, un regolatore lineare può aiutare a ridurre il rumore in uscita degli smps e potrebbe essere abbastanza buono da permetterti di alimentare direttamente gli amplificatori audio in questo modo (e che molti progetti fanno proprio questo) ma un regolatore lineare non è un "proiettile magico" in questa applicazione e un buon design sono ancora vitali.

Un regolatore lineare ha una larghezza di banda limitata su cui può regolare. Le alte frequenze sono passate. Quanto è buono un regolatore che smorza le frequenze si trova nel rifiuto dell'ondulazione. Cerca una scheda tecnica LM317 e cerca i grafici del rapporto di rifiuto dell'ondulazione rispetto alla frequenza:

Dipende dalla corrente di carico, dalle tensioni di ingresso e di uscita e apparentemente anche se si mette un condensatore sul pin Adj. Inoltre scende rapidamente alla frequenza. La maggior parte delle specifiche sono fatte a bassa frequenza, quindi funziona perfettamente dopo un trasformatore (che potrebbe essere un'ondulazione di 100 Hz o 120 Hz).

Se ricevi un tipico SMPS di questi giorni, potrebbe passare a diverse centinaia di kHz. Apparentemente un LM317 con un condensatore da 10 uF sul pin di regolazione gestisce solo 40 dB a 100 kHz e 20 dB a 1 MHz. Un'ondulazione di 1 V _{pp da} 1 V passerebbe comunque attraverso un'ondulazione di 0,1 V _pp . A frequenze più alte peggiorerà e scenderà a 0 dB, che non è amplificazione né smorzamento.

Questo è un regolatore LM317 economico, ce ne sono di migliori sul mercato. I LDO in genere non sono così buoni nel rifiuto dell'ondulazione a causa della loro natura di essere un po 'meno stabili.

In alternativa, è possibile utilizzare un filtro LC per smorzare il materiale ad alta frequenza. Si noti tuttavia che un filtro LC ha una frequenza di risonanza, che può attenuare una certa frequenza decine di volte!

Non riesco a vedere (a meno che il tuo regolatore non stia oscillando) un regolatore lineare amplificherebbe invece il rumore. Certo, aggiungerà sempre rumore ad ampio spettro (rumore di temperatura, rumore di sfarfallio, ecc.), Ma anche transistor, resistori, opamp, diodi, ecc.

Tuttavia, poiché stai parlando di audio, vorrei aggiungere a quella situazione specifica:

• Un amplificatore operazionale ha anche un proprio PSRR (rapporto di reiezione dell'alimentazione). Alcuni componenti non hanno grafici per questa figura, tuttavia ciò si aggiunge anche al regolatore lineare. Un amplificatore operazionale di precisione AD8622 ha uno smorzamento di circa 20 dB - 40 dB a 100 kHz. (Le forniture positive sono generalmente meglio ammortizzate rispetto alle forniture negative).
• Se un SMPS passa oltre 400 kHz, ti dispiacerebbe / sentiresti il ​​rumore?

Come dice Hans, un regolatore lineare non fermerà il rumore HF di un SMPS. È possibile filtrare se con passivi come condensatori e bobine. Poiché le frequenze coinvolte sono molto più elevate dell'ondulazione di 100Hz che devi eliminare in una fornitura classica, non avrai bisogno di quel grande elettrolitico. (Questi elettrolitici devono essere grandi perché spesso sono l'unico modo di "regolare" la tensione rettificata.)
Quindi la parola è disaccoppiamento passivo. Se vuoi davvero usare un regolatore lineare puoi usare un LDO poiché la sua tensione di ingresso non varierà.

A proposito, hai ancora bisogno di un trasformatore nel tuo SMPS ovviamente, altrimenti il ​​tuo amplificatore potrebbe essere un'esperienza scioccante. Ma puoi renderlo molto più piccolo di quelli classici.

La cosa principale che devi fare è instradare correttamente le tue tracce. Se colleghi il tuo segnale audio a terra proprio accanto all'SMPS e poi hai un regolatore lineare dopo questo, non ti farà nulla di buono. È necessario "pipettare" le tracce di terra da uno stadio a quello successivo e collegare i circuiti audio a terra sul cappuccio di uscita del regolatore lineare.

I cavi non sono conduttori perfetti e una corrente rumorosa che passa attraverso un nodo di terra farà fluttuare la tensione. L'uso di una terra fluttuante come riferimento audio fa sì che le fluttuazioni diventino parte del segnale.

Le strozzature torroidali e i cappucci a basso ESR riducono anche l'ondulazione che può essere più semplice per ridurre di almeno 40 db ed elimina la necessità di un regolatore LDO.

http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an101f.pdf

ecco alcune ulteriori informazioni a supporto di alcune delle opzioni che Russell ha già spiegato in modo eccellente.

La pagina (9) dell'artico che ho attaccato è sicuramente degna di nota, poiché le curve caratteristiche delle perle di ferrite sono un'altra eccellente considerazione per lo smorzamento ad alta frequenza, ma molto raramente vengono utilizzate.

Ancora una volta nessun proiettile magico, e la ferrite ha una finestra più piccola di utile applicazione rispetto a un circuito LC o RC comune perché il suo effetto non è così drastico, ma il grande asporto è il suo effetto sull'impedenza senza gli effetti collaterali comuni associati agli altri due opzioni e utilizzate nel posto giusto, la ferrite può avere un effetto eccezionale sulla stabilità.

Come Peter ha chiesto in precedenza, riguardo al rumore udibile, è molto vero che il filtraggio all'interno di una banda di frequenza udibile, diciamo 20hz-20khz; può essere un modo rapido per rendere un alimentatore molto utilizzabile. Lo vediamo sempre nei filtri RC negli amplificatori per chitarra. Nella mia esperienza, in particolare negli amplificatori di strumenti audio, questo diventa più vero solo quando end >> engineer, è in realtà un trasformatore di uscita tradizionale che ha una frequenza di taglio generalmente compresa tra 20 kHz e 10 kHz, che poi si accoppia a un tradizionale altoparlante con struttura in metallo, e come nel caso della chitarra, questi diffusori sono comunemente attenuati per avere un taglio di circa 8Khz.

Quindi iniziamo ad alzare il sopracciglio anche a un rumore di 100 khz, non vale la pena.

Ma in pratica è una storia diversa, perché come sappiamo la frequenza fondamentale di interesse tende a non favorire nessuno e crea naturalmente armoniche di se stessa, che si estendono fino al limite udibile. Se la frequenza fondamentale è intrinsecamente rumore, questa diventa una misura di controllo inafferrabile, perché spesso include più di una frequenza fondamentale e l'uso di entrambi i filtri RC e LC può avere effetti offuscanti modificando il "tono" del rumore più trattandolo. In questo modo puoi vedere quanto sono facili questi effetti che possono creare un effetto sulla carta.

Quindi, per ovviare a questo, entrare nel campo da baseball giusto a volte può essere altrettanto facile conoscere le caratteristiche dell'IC che scegliamo o qualsiasi caratteristica inerente al design dell'alimentatore che scegliamo. Successivamente, assicurarsi di avvicinarsi al rumore con pari considerazioni sia nella frequenza udibile, sia nelle frequenze di ordine elevato può dare risultati profondi.