Dapatkah kebisingan PSU switching dilemahkan jika saya meletakkan regulator linier sebelum output?

Seorang teman mengatakan kepada saya bahwa kebisingan PSU switching apa pun dapat dilemahkan jika saya meletakkan regulator linier sebelum output. Benarkah?

Sebagai contoh, jika saya ingin menyalakan + -12 V op-amp untuk sebuah amplifier, saya dapat menggunakan catu daya switching-mode (SMPS), katakanlah, dengan keluaran 15 V yang berisik dan kemudian dari keluaran SMPS, berikan LM7812 dan LM7912 .

Apakah output dari LM7812 dan LM7912 sekarang memiliki noise yang sangat sangat rendah dibandingkan inputnya?

Jika ini benar, ini luar biasa karena tidak perlu menggunakan transformator lagi.

Benarkah PSU berat yang menggunakan transformator untuk amplifier Kelas A dan B tidak diperlukan lagi?

Ya, memang benar bahwa menambahkan regulator linier setelah SMPS (saklar mode power supply) akan mengurangi kebisingan, tetapi perawatan masih diperlukan. Hasilnya bisa sangat baik, tetapi hasilnya mungkin tidak sebagus jika transformator bertenaga listrik plus regulator linier telah digunakan.

Pertimbangkan regulator LM7805 5V yang umum dari Fairchild. Ini memiliki spesifikasi "penolakan riak" minimum 62 dB. "Ripple" adalah noise input tetapi biasanya terkait dengan variasi frekuensi listrik dua kali dari input listrik yang diperbaiki dan dihaluskan. Ini adalah pengurangan noise 10 ^ (dB_noise_rejection / 20) = 10 ^ 3.1 ~ = 1250: 1 Artinya, jika ada 1 Volt "riak" pada input, ini akan dikurangi menjadi 1 mV pada output. Namun ini ditentukan pada frekuensi 120 Hz = dua kali frekuensi utama AS, dan tidak ada spesifikasi atau grafik yang diberikan untuk pengurangan noise pada frekuensi yang lebih tinggi.

Regulator LM340 5V yang identik secara fungsional dari NatSemi memiliki spesifikasi yang sedikit lebih baik (minimum 68 dB, tipikal 80 dB = 2500: 1 hingga 10.000: 1) pada 120 Hz.
Tapi NatSemi juga menyediakan grafik kinerja tipikal pada frekuensi yang lebih tinggi (sudut kiri bawah halaman 8).

.

Dapat dilihat bahwa untuk penolakan riak output 5V turun hingga 48dB pada 100 kHz (= 250: 1). Dapat juga dilihat bahwa ia jatuh sekitar linear sekitar 12 dB per dekade (60 dB pada 10 kHz, 48 dB pada 100 kHz). Mengekstrapolasi ini ke 1 MHz memberikan penolakan noise 36 dB pada 1 Mhz (~ = 60: 1 pengurangan noise ) . Tidak ada jaminan bahwa ekstensi ke 1 MHz ini realistis tetapi hasil sebenarnya tidak akan lebih dari ini dan seharusnya (mungkin) tidak jauh lebih buruk.

Karena sebagian besar (tetapi tidak semua) persediaan smps beroperasi dalam kisaran 100 kHz hingga 1 MHz, seseorang dapat memperkirakan bahwa penolakan kebisingan akan berada dalam urutan 50: 1 hingga 250: 1 dalam kisaran 100-1000 kHz untuk frekuensi kebisingan dasar. Namun, smps akan memiliki output selain frekuensi switching fundamentalnya, seringkali jauh lebih tinggi. Lonjakan cepat yang sangat tipis yang mungkin terjadi pada pergantian tepi karena o kebocoran induktansi pada transformator dan sejenisnya akan lebih sedikit dilemahkan daripada kebisingan frekuensi yang lebih rendah.

Jika Anda menggunakan smps dengan sendirinya Anda biasanya akan mengharapkan untuk memberikan beberapa bentuk pemfilteran output dan menggunakan filter LC pasif dengan linear "post regulator akan menambah kinerjanya.

Anda bisa mendapatkan regulator linier dengan penolakan riak yang lebih baik dan lebih buruk daripada LM340 - dan di atas menunjukkan kepada Anda bahwa dua IC yang identik secara fungsional dapat memiliki spesifikasi yang agak berbeda.

Penghapusan kebisingan dari smps akan sangat terbantu dengan desain yang baik. Subjek terlalu kompleks daripada melakukan lebih dari menyebutkannya di sini, tetapi ada banyak hal baik tentang hal ini di internet (dan di masa lalu balasan pertukaran stack). Faktor-faktor termasuk penggunaan yang tepat dari bidang tanah, pemisahan, area meminimalkan dalam loop saat ini, tidak memutus jalur balik saat ini, mengidentifikasi jalur aliran arus tinggi dan menjaga mereka pendek dan jauh dari bagian sensitif kebisingan dari rangkaian (dan banyak lagi).

Jadi - ya, sebuah pengatur linier dapat membantu mengurangi kebisingan keluaran smps dan mungkin cukup baik untuk memungkinkan Anda memberi daya penguat audio secara langsung dengan cara ini (dan mungkin banyak desain melakukan hal itu) tetapi pengatur linier bukanlah "peluru ajaib" di aplikasi ini dan desain yang bagus masih penting.

Regulator linier memiliki bandwidth terbatas yang dapat diaturnya. Frekuensi tinggi dilewati. Seberapa baik regulator meredam frekuensi ditemukan dalam penolakan riak. Cari lembar data LM317 dan cari grafik rasio penolakan riak terhadap frekuensi:

Itu tergantung pada arus beban, tegangan input dan output dan tampaknya juga jika Anda meletakkan kapasitor pada pin Adj. Terlebih lagi, frekuensi ini turun dengan cepat. Sebagian besar spesifikasi dibuat pada frekuensi rendah sehingga berfungsi sempurna setelah transformator (yang kemungkinan merupakan riak 100 Hz atau 120 Hz).

Jika Anda mendapatkan SMPS tipikal hari ini, itu mungkin beralih pada beberapa ratus kHz. Rupanya LM317 dengan kapasitor 10 uF pada pin penyesuaian hanya mengelola 40 dB pada 100 kHz dan 20 dB pada 1 MHz. 1 MHz 1 V _pp riak masih akan melewati sebagai 0,1 V _pp riak keluar. Pada frekuensi yang lebih tinggi hanya akan bertambah buruk dan turun ke 0 dB, yang tidak ada amplifikasi atau redaman.

Ini adalah regulator LM317 yang murah, ada yang lebih baik di pasaran. LDO biasanya tidak sebagus penolakan riak karena sifatnya yang sedikit kurang stabil.

Atau Anda dapat menggunakan filter LC untuk meredam hal-hal frekuensi tinggi. Namun perlu dicatat bahwa filter LC memiliki frekuensi resonansi, yang mungkin menipiskan frekuensi puluhan kali sebagai gantinya!

Saya tidak bisa melihat (kecuali regulator Anda berosilasi) regulator linier akan memperbesar kebisingan sebagai gantinya. Tentu, itu akan selalu menambahkan noise spektrum luas (suhu noise, flicker noise, dll.), Tetapi demikian juga transistor, resistor, opamps, dioda, dll.

Namun, karena Anda berbicara tentang audio, saya ingin menambahkan situasi khusus itu:

• Sebuah op-amp memiliki PSRR (rasio penolakan catu daya) sendiri juga. Beberapa komponen tidak memiliki grafik untuk gambar ini, namun ini juga menambah regulator linier Anda. Op-amp presisi AD8622 memiliki redaman sekitar 20 dB - 40 dB pada 100 kHz. (Persediaan positif biasanya lebih baik teredam daripada persediaan negatif).
• Jika sebuah SMPS beralih di atas 400 kHz, apakah Anda keberatan / mendengar suara itu?

Seperti kata Hans, regulator linier tidak akan menghentikan kebisingan HF dari SMPS. Anda dapat memfilter jika dengan pasif seperti kapasitor dan gulungan. Karena frekuensi yang terlibat jauh lebih tinggi daripada riak 100Hz yang harus Anda singkirkan dalam pasokan klasik, Anda tidak akan memerlukan elektrolitik sebesar itu. (Elektrolitik ini harus besar karena paling sering merupakan satu-satunya cara "mengatur" tegangan yang diperbaiki.)
Jadi decoupling pasif adalah kata. Jika Anda benar-benar ingin menggunakan regulator linier, Anda dapat menggunakan LDO karena tegangan inputnya tidak akan bervariasi.

BTW, Anda masih membutuhkan transformator di SMPS Anda, jika tidak, amp Anda mungkin pengalaman yang mengejutkan. Tapi Anda bisa membuatnya jauh lebih kecil daripada yang klasik.

Hal utama yang perlu Anda lakukan adalah merutekan jejak Anda dengan benar. Jika Anda menghubungkan sinyal audio Anda ke tanah tepat di sebelah SMPS, dan kemudian memiliki regulator linier setelah ini, itu tidak akan ada gunanya bagimu. Anda perlu "menyalurkan" jejak tanah dari satu tahap ke tahap berikutnya, dan sambungkan sirkuit audio Anda ke tanah pada tutup output dari regulator linier.

Kabel bukan konduktor yang sempurna, dan arus berisik yang melewati simpul pentanahan akan menyebabkan tegangan berfluktuasi. Menggunakan ground yang berfluktuasi sebagai referensi audio Anda berarti fluktuasi menjadi bagian dari sinyal.

Torroidal choke & Low ESR caps juga mengurangi riak yang mungkin lebih mudah untuk mengurangi 40 db atau lebih & menghilangkan kebutuhan akan regulator LDO.

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

berikut adalah beberapa informasi yang mendukung beberapa opsi yang telah dijelaskan Russell dengan sangat baik.

Halaman (9) dari artical yang saya lampirkan pasti patut dicatat, karena kurva karakteristik manik-manik ferit adalah pertimbangan lain yang sangat baik untuk redaman frekuensi tinggi, tetapi sangat jarang digunakan.

Sekali lagi tidak ada peluru ajaib, dan ferit memiliki jendela kecil aplikasi yang berguna kemudian LC umum atau sirkuit RC karena efeknya tidak sedrastis itu, tetapi mengambil besar adalah efeknya pada impedansi tanpa efek samping umum yang terkait dengan dua lainnya opsi, dan digunakan di tempat yang tepat, ferit dapat memiliki efek luar biasa pada stabilitas.

Seperti yang Peter tanyakan sebelumnya, mengenai kebisingan yang dapat didengar, sangat benar bahwa penyaringan dalam pita frekuensi yang dapat didengar, katakanlah 20hz-20khz; bisa menjadi cara cepat untuk membuat catu daya sangat berguna. Kami melihat ini di filter RC di ampli gitar sepanjang waktu. Dalam pengalaman saya terutama di amplifier instrumen audio, ini hanya menjadi lebih benar ketika insinyur akhir >>, pada kenyataannya adalah transformator keluaran tradisional yang memiliki frekuensi cutoff umumnya antara 20khz-10khz, yang kemudian dipasangkan dengan pembicara bingkai logam tradisional, dan seperti halnya gitar, speaker ini biasanya dilemahkan untuk memiliki cutoff sekitar 8Khz.

Jadi kami mulai menaikkan alis bahkan pada kebisingan 100khz, tidak sepadan dengan usaha.

Tetapi dalam praktiknya itu adalah cerita yang berbeda, karena seperti yang kita ketahui frekuensi kepentingan dasar cenderung tidak menguntungkan siapa pun dan secara alami menciptakan harmoni itu sendiri, memperluas sampai ke kisaran yang dapat didengar. Jika frekuensi dasar secara inheren noise, ini menjadi ukuran kontrol yang sulit dipahami, karena itu sering kali mencakup lebih dari satu frekuensi fundamental, dan menggunakan kedua RC dan filter LC dapat menghilangkan efek dengan mengubah "nada" suara lebih dari mengobatinya. Dengan demikian Anda dapat melihat betapa mudahnya efek-efek ini dapat membuat berlarian di atas kertas.

Jadi untuk mengakomodasi hal ini, masuk ke dalam ballpark yang tepat terkadang dapat dengan mudah mengetahui karakteristik Ic yang kita pilih, atau karakteristik inheren dari desain catu daya yang kita pilih. Setelah itu, pastikan untuk mendekati kebisingan dengan pertimbangan yang sama baik dalam frekuensi yang dapat didengar, maupun frekuensi tingkat tinggi dapat memberikan hasil yang mendalam.