Per ottimizzare l'alimentazione di queste applicazioni è necessario superare i limiti dei convenzionali LDO a basso rumore

Quando occorre alimentare applicazioni RF/analogiche sensibili al rumore, in genere i regolatori lineari a bassa caduta di tensione (LDO, low dropout) sono preferibili ai corrispettivi 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) ad alta risoluzione e alta velocità, e sensori di precisione. Ciò nonostante, queste applicazioni hanno raggiunto funzionalità e sensibilità che stanno mettendo alla prova i limiti dei convenzionali LDO a basso rumore.

Ad esempio, in molti VCO avanzati, il rumore dell’alimentatore influisce direttamente sul rumore di fase (jitter) dell’uscita del VCO. Non solo: per soddisfare i requisiti sull’efficienza complessiva del sistema, di solito l’LDO regola l’uscita di un convertitore a commutazione relativamente rumoroso, per cui diventa importantissimo il valore ad alta frequenza del rapporto di reiezione dell’alimentatore (PSRR, power supply rejection ratio) dell’LDO.

Tabella 1 – Confronto tra LT3042 e i tradizionali LDO a basso rumore

Grazie a un valore PSRR ultra-alto e al rumore di uscita ultra-basso, LT3042 può alimentare direttamente alcune delle applicazioni più sensibili al rumore pur regolando l’uscita di un convertitore a commutazione, senza richiedere ingombranti filtri. La tabella 1 mostra il confronto tra le prestazioni di rumore di LT3042 e dei convenzionali regolatori a basso rumore.

LT3042 è un regolatore lineare LDO dalle prestazioni elevate, basato sull’architettura a PSRR ultra-alto e rumore ultra-basso di Linear Technology, pensato per l’alimentazione di applicazioni sensibili al rumore. Anche con le elevate prestazioni offerte, LT3042 mantiene semplicità e robustezza. La figura 1 mostra un’applicazione tipica, mentre la figura 2 presenta un circuito dimostrativo completo. Il compattissimo contenitore DFN da 3mm x 3mm e il numero minimo di componenti necessari di LT3042 assicurano un ingombro ridotto della soluzione complessiva.

Fig. 1 – Tipica applicazione di LT3042

Progettato come un riferimento di corrente di precisione seguito da un buffer di tensione ad alte prestazioni, LT3042 può essere impiegato agevolmente in una configurazione in parallelo per aumentare la corrente di uscita, distribuire il calore generato sulla scheda di circuiti stampati e ridurre ulteriormente il rumore di uscita, che diminuisce secondo la radice quadrata del numero di dispositivi collegati in parallelo. L’architettura basata sul riferimento di corrente offre ampio intervallo della tensione di uscita (da 0V a 15V) pur assicurando il funzionamento con guadagno unitario, offrendo così rumore di uscita, PSRR, larghezza di banda e regolazione del carico pressoché costanti, indipendentemente dalla tensione di uscita programmata.

Oltre a offrire valori ultra-bassi del rumore e del PSRR, LT3042 include varie caratteristiche desiderate nei sistemi moderni, come la possibilità di programmare sia il limite di corrente che la soglia di funzionalità dell’alimentazione oltre all’avvio veloce. Inoltre, LT3042 incorpora funzioni di protezione per sistemi alimentati a batteria.

Fig. 2 – Circuito dimostrativo di LT3042

I circuiti di protezione contro l’inversione dell’ingresso tollerano tensioni negative all’ingresso prevenendo danni al circuito integrato ed evitando che si sviluppino tensioni negative all’uscita, funzionando in sostanza come se un diodo ideale fosse collegato in serie all’ingresso.

In sistemi di riserva a batteria, in cui l’uscita può essere mantenuta a un livello superiore rispetto all’ingresso, i circuiti di protezione contro l’inversione uscita-ingresso impediscono che la corrente possa circolare verso l’alimentatore. LT3042 include un limitatore interno di corrente con foldback oltre a un circuito di limitazione termica con isteresi per la protezione SOA dell’elemento serie

Con un rumore di uscita pari a 0,8 µVRMS(*) nella banda da 10 Hz a 100 kHz, LT3042 è il primo regolatore nel settore a presentare rumore inferiore a 1 µVRMS. Nella figura 3 è confrontato il rumore di uscita integrato da 10 Hz a 100 kHz di LT3042 con quello di LT1763, che da oltre un decennio è il regolatore a rumore minimo di Linear. Il valore ultra-basso del rumore di LT3042 rende possibili applicazioni finora ritenute non attuabili o che richiedevano costosi e voluminosi componenti dei filtri.

Fig. 3 – Rumore di uscita da 10 Hz a 100 kHz

Il condensatore al pin SET (CSET) bypassa il rumore di riferimento di corrente, il rumore di corrente base (o lo stadio d’ingresso dell’amplificatore di errore) e il rumore termico intrinseco del resistore al pin SET (RSET). Come è illustrato nella figura 4, le prestazioni di rumore a bassa frequenza migliorano notevolmente aumentando CSET. Con CSET pari a 22 µF, il rumore di uscita è minore di 20 nV/√Hz a 10 Hz. Tenere presente che i condensatori, particolarmente quelli elettrolitici, possono produrre pure rumore 1/f, che può essere ridotto al minimo utilizzando condensatori ceramici, al tantalio o a film sul pin SET.

Comandando attivamente il pin SET con una batteria o un riferimento di tensione a rumore inferiore si riduce il rumore sotto i 10 Hz. Si elimina così sostanzialmente il rumore del riferimento di corrente a frequenze inferiori, lasciando solo il rumore dell’amplificatore di errore, estremamente basso. La possibilità di comandare il pin SET rappresenta un altro vantaggio dell’architettura con riferimento di corrente. Il rumore RMS integrato migliora pure all’aumentare della capacità al pin SET, scendendo sotto 1 µVRMS con CSET uguale ad appena 2,2 µF, come illustrato nella figura 5.

Fig. 4 – Densità spettrale del rumore

L’aumento della capacità di bypass al pin SET per ridurre il rumore di uscita in genera comporta un tempo di avvio più lungo, ma i circuiti ad avvio rapido di LT3042 alleviano questo svantaggio e sono facilmente configurabili mediante due resistori; la figura 6 mostra il significativo miglioramento che si ottiene nel tempo di avvio.

L’elevato PSRR* di LT3042 è importante quando si alimentano applicazioni sensibili al rumore. La figura 7 mostra gli straordinari valori del PSRR a frequenze sia alte che basse: quasi 120 dB a 120 Hz, 79 dB a 1 MHz e oltre 70 dB sino a 3 MHz. Il valore del PSRR è ancora migliore quando diminuisce la corrente di carico, come illustrato nella figura 8.

Fig. 5 – Valore efficace del rumore di uscita integrato (da 10 Hz a 100 kHz)

A differenza dei convenzionali LDO i cui i valori del PSRR peggiorano di circa poche decine di dB, quando ci si avvicina al dropout, il PSRR di LT3042 rimane elevato anche a bassi differenziali ingresso-uscita. Come è mostrato nella figura 9, LT3042 mantiene il PSRR a 70 dB fino a 2 MHz con un differenziale ingresso-uscita di soli 1V e quasi a 60 dB fino a 2 MHz con un differenziale ingresso-uscita di appena 600 mV. Questa funzionalità consente a LT3042 di post-regolare convertitori a commutazione a bassi differenziali ingresso-uscita – ai fini di un’elevata efficienza – mentre i valori del PSRR soddisfano i requisiti di applicazioni sensibili al rumore.

In applicazioni in cui LT3042 esegue una post-regolazione dell’uscita di un convertitore a commutazione per ottenere un PSRR ultra-alto ad alte frequenze, occorre prestare particolare attenzione all’accoppiamento elettromagnetico dal convertitore all’uscita di LT3042. In particolare, mentre l’anello “caldo” del convertitore deve essere quanto più piccolo possibile, l’anello “tiepido” (con correnti alternate circolanti alla frequenza di commutazione) formato dal circuito integrato del convertitore stesso oltre che dall’induttore e dal condensatore di uscita (per un convertitore buck) deve essere pure ridotto al minimo e deve essere schermato oppure collocato ad alcuni centimetri di distanza da dispositivi a rumore ultra-basso, come LT3042 e il suo carico.

Fig. 6 – Funzionalità di avvio rapido

Mentre l’orientamento di LT3042 rispetto all’anello “tiepido” può essere ottimizzato per ridurre al minimo l’accoppiamento magnetico, può essere difficile in pratica conseguire una reiezione di 80 dB semplicemente ottimizzando l’orientamento; possono essere necessarie più iterazioni della scheda di circuiti stampati.

Si osservi la figura 10, in cui LT3042 esegue la post-regolazione del regolatore LT8614 Silent Switcher funzionante a 500 kHz con un filtro contro l’interferenza elettromagnetica all’ingresso del regolatore stesso. Con LT3042 situato ad appena due-cinque centimetri dal convertitore a commutazione e dai suoi componenti esterni, viene conseguita una reiezione di 80 dB a 500 kHz senza bisogno di alcuna schermatura.

Per ottenere questo risultato, tuttavia, all’ingresso di LT3042 non viene inserito nessun condensatore aggiuntivo a eccezione di quello a 22 µF all’uscita del convertitore a commutazione, come evidenziato nella figura 11a. Tuttavia, come mostra la figura 11b, anche l’inserimento di un piccolo condensatore di 4,7 µF direttamente all’ingresso di LT3042 comporta una riduzione di 10 volte del PSRR.

Fig. 7 – PSRR in funzione della frequenza

Quanto sopradescritto è non particolarmente intuitivo – aggiungendo una capacità all’ingresso in genere si riduce il ripple di uscita – ma con una reiezione di 80 dB, l’accoppiamento magnetico, che solitamente è insignificante e deriva da correnti di commutazione a frequenza moderatamente alta (500 kHz) circolanti attraverso questo condensatore da 4,7 µF, riduce notevolmente il ripple di uscita.

Sebbene la modifica dell’orientamento del condensatore d’ingresso da 4,7 µF e delle tracce che collegano l’uscita del convertitore a commutazione a questo condensatore contribuisca a ridurre al minimo l’accoppiamento magnetico, rimane alquanto difficile ottenere quasi 80 dB di reiezione a queste frequenze, per non parlare delle numerose iterazioni della scheda di circuiti stampati che possono essere necessarie.

L’impedenza di uscita relativamente alta di LT3042 impedisce alle correnti alternate ad alta frequenza di circolare verso il suo terminale d’ingresso. Poiché LT3042 è stabile senza un condensatore d’ingresso se è situato entro 7,5 centimetri dal condensatore di uscita dell’alimentatore a commutazione di pre-regolazione, per ottenere i migliori valori del PSRR raccomandiamo di non inserire un condensatore all’ingresso di LT3042 oppure di ridurlo al minimo.

Fig. 8 – PSRR a varie correnti di carico

I circa cinque centimetri di induttanza della traccia che collega LT8614 all’ingresso di LT3042 comportano un’attenuazione notevole dei picchi di transizione alla commutazione dell’alimentatore ad alta frequenza. Alcuni picchi continuano a propagarsi sino all’uscita a causa dell’accoppiamento magnetico derivante dall’anello “caldo” di LT8614, ma possono essere ridotti ottimizzando l’orientamento della scheda di LT3042. A causa della limitazione della larghezza di banda della strumentazione, questi picchi ad altissima frequenza non sono mostrati nel ripple di uscita della figura 11.

Per considerare il problema nella giusta prospettiva, si osservi che tentare di conseguire una reiezione di 80 dB a 500 kHz senza utilizzare l’LDO LT3042 a PSRR ultra-alto è molto difficile. Le soluzioni alternative non sono all’altezza. Per esempio, con un filtro LC si richiederebbe quasi 40 µH di induttanza e 40 µF di capacità per ottenere una reiezione di 80 dB a 500 kHz, e quindi occorrerebbe aggiungere componenti voluminosi e costosi.

Fig. 9 – PSRR in funzione del differenziale ingresso-uscita

A parte i costi e l’ingombro, il filtro LC può andare in risonanza se non viene smorzato appropriatamente, e quindi diventare più complesso. Né si può ricorrere a un filtro RC, poiché la resistenza necessaria per ottenere una reiezione di 80 dB è difficilmente attuabile. Analogamente, l’utilizzo di LDO convenzionali richiede di inserirne in serie almeno due per ottenere una reiezione di 80 dB a 500 kHz, comportando ulteriori componenti e un costo maggiore oltre a un peggioramento della tensione di dropout.

Non solo: per ottenere una reiezione di 80 dB, queste soluzioni alternative richiedono anche di prestare attenzione agli accoppiamenti del campo magnetico; in particolare, occorre ridurre al minimo le correnti alternate ad alta frequenza.

Fig. 10 – Post-regolazione del regolatore LT8614 Silent Switcher eseguita da LT3042

Grazie al PSRR ultra-alto in un’ampia gamma di frequenze, LT3042 consente il funzionamento a frequenza inferiore del convertitore a commutazione a monte – ai fini di una maggiore efficienza e ridotta interferenza elettromagnetica – senza che sia necessario aumentare le dimensioni dei componenti del filtro, per alimentare applicazioni sensibili al rumore.

Fig. 11 – Post-regolazione del regolatore LT8614 Silent Switcher eseguita da LT3042 (a) senza alcun condensatore all’ingresso di LT3042, (b) con un condensatore da 4,7 µF all’ingresso di LT3042

Le eccellenti prestazioni di LT3042, per quanto riguarda il rumore e il PSRR, unitamente alla sua robustezza e facilità d’uso, lo rendono ideale per l’alimentazione di applicazioni sensibili al rumore. 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 LT3042 per ridurre ulteriormente il rumore di uscita, aumentare la corrente di uscita e distribuire il calore generato sulla scheda di circuiti stampati.

(*) La misura appropriata del rumore e del PSRR a questi livelli richiede estrema attenzione e una strumentazione speciali. Le misure di questo tipo saranno descritte in modo completo in una prossima nota applicativa di Linear

Amit Patel, Senior Design engineer - Power Products, Linear Technology Corp

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