Redukcja szumów zasilacza za pomocą sprzężenia feedforward

Wszystkie stabilizatory napięcia generują na swoim wyjściu jakiś poziom niepożądanych szumów. Niektóre z nich są projektowane do stosowania w układach niskoszumowych, ale nie wszystkie nadają się do zasilania ultraniskoszumowych oscylatorów, przyrządów pomiarowych i wysokiej jakości urządzeń audio. Nieskomplikowana technika kasowania szumów za pomocą sprzężeniem zwrotnego feedforward może znacznie zredukować poziom szumów, również przy zachowaniu małej różnicy pomiędzy napięciem wyjściowym a wejściowym, a także zapewniając dużą sprawność. 

W tym sposobie ograniczania poziomu szumów, jak pokazuje rys. 1a, wejściowe napięcie szumów kieruje się za pomocą sprzężenia zmiennoprądowego do wejścia sterowanego napięciem źródła prądowego. Napięcie szumów tak moduluje źródło prądowe (g_mV_IN), że powstały na R_S spadek napięcia szumów znosi się wzajemnie z napięciem szumów wejściowych:

Napięciowo sterowane źródło prądowe jest podobne do hybrydowego modelu π tranzystora MOSFET lub tranzystora bipolarnego dla małych sygnałów. W układach do redukcji szumów za pomocą sprzężenia feedforward można użyć tranzystora, ale z powodu znacznych różnic parametrów pomiędzy poszczególnymi jego egzemplarzami, dyskretne układy tranzystorowe dla uzyskania dokładnej wartości g_m wymagają indywidualnego dostosowywania.

Rys. 1.a

Rys. 1. Zasada kasowania szumów w zasilaczach sprzężeniem do przodu (a) z zastosowaniem sterowanego napięciowo źródła prądowego gm VIN. Sterowane napięciowo źródło prądowe zrealizowane za pomocą wzmacniacza operacyjnego i tranzystora MOSFET (b).

Układ przedstawiony na rys. 1b, utworzony na podstawie schematu z rys. 1a, nie wymaga dostrajania. Napięciowo sterowane źródło prądowe zostało zrealizowane za pomocą niskoszumowego wzmacniacza operacyjnego i n-kanałowego tranzystora MOSFET, a jego g_m jest dokładnie równe 1/R₁.
Rezystancja R_S powinna zostać tak dobrana, aby występujący na R_S spadek napięcia przy maksymalnym prądzie wyjściowym był mały. Dopuszczalna jego wartość mieści się w granicach od 50 do 200mV. R₁ i R_S muszą być możliwie dokładnie jednakowe, należy zatem wybrać tolerancję 1% lub lepszą. R_S należy wybrać zgodnie z:

 gdzie V_Q jest napięciem spoczynkowym nieodwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego, ustalonym przez dzielnik napięcia R₃-R₆:

 Dla układu z rys. 1b przyjęto, że maksymalne napięcie szumów wynosi 1mV_PP. Zatem I_Q = 10mA, a V_Q = 1mV. Ale trzeba podkreślić, że przy V_Q = 1mV zdolność tłumienia pogarsza się, jeśli napięcie szumów przekracza 1mV_PP. Zatem V_Q winno być przyjęte w wielkości przewidywanego największego napięcia szumów. Aby być pewnym, że na V_Q nie wpływa prąd polaryzujący, należy wybrać wzmacniacz o małym prądzie wejściowym, jak ten pokazany na schemacie.
 Pojemność kondensatora sprzężenia zmiennoprądowego C₁ powinna być na tyle duża, aby przenoszone pasmo było dostatecznie szerokie. W trakcie rozruchu układu, gdy C₁ jest ładowany, prąd płynący przez R₁ i M₁ jest większy, ponieważ V_Q jest wyższe niż normalnie. Do ograniczania rozruchowego prądu M₁ służy R₂:

Rys. 2. Tłumienie szumów przy 1 kHz w układzie z rys. 1b jest większe niż 26dB.

 gdzie V_DSM1 oznacza napięcie dren-źródło M₁.
 Na rys. 2 przedstawiono zależność tłumienia szumów od częstotliwości zasilacza w układzie z rys. 1b, przy prądzie obciążenia 1A. Przy niskich częstotliwościach tłumienie szumów jest większe od 26dB, a w zakresie audio większe od 18dB. Tłumienie to maleje ze wzrostem częstotliwości, ale szumy w tym zakresie są łatwiejsze do odfiltrowania kondensatorem (w tym układzie C₂). (KKP)

Elektronik: 8/2006