Cancellazione del rumore dei regolatori di tensione

Tramite una semplice trucco, è possibile cancellare il rumore di uscita di qualsiasi regolatore di tensione.

Rumore d’uscita di un LM317, prima e dopo la cancellazione del rumore.

Molti regolati lineari presentano tensioni di rumore dell’ordine dei 50-500 µV alla loro uscita. L’origine di questo rumore è sia esterna (p. es. il ripple residuo dovuto alla limitata reiezione dei disturbi di ingresso del regolatore) che interna (il rumore bianco e il rumore 1/f generati dal riferimento di tensione e dall’amplificatore d’errore).

Malgrado il ripple possa essere facilmente attenuato anteponendo un moltiplicatore di capacità, il rumore generato internamente dal regolatore stesso è molto più difficile da eliminare senza compromettere la regolazione d’uscita.

Un’interessante soluzione al problema consiste nella cancellazione attiva del rumore. Questo approccio richiede due soli elementi circuitali: un pozzo di corrente tensione-dipendente e un resistore.

Cancellazione attiva del rumore nei regolatori di tensione

Il trucco è molto semplice: si pilota il pozzo di corrente in modo che il suo assorbimento \(i_L\) sia proporzionale, istante per istante, alla tensione di rumore \(v_n\) all’uscita del regolatore. Questa corrente viene quindi fatta scorrere su un resistore \(R_s\) che la converte in una caduta di tensione, la quale segue fedelmente l’andamento della tensione di rumore nel tempo.

Schema equivalente del sistema di cancellazione del rumore: un pozzo di corrente tensione-dipendente viene pilotato dalla tensione di rumore, generando una caduta di tensione su Rs che segue, istante per istante, l’andamento del rumore, cancellandolo. (Il modello assume che l’impedenza d’uscita del regolatore sia trascurabile).

Ora arriva il bello: se si dimensiona il pozzo di corrente tensione-dipendente in modo che la sua transresistenza corrisponda esattamente a \(R_s\), ovvero se si fa in modo che \(i_L(t)\equiv v_n(t)/R_s\), allora la caduta di tensione su \(R_s\) cancella, istante per istante, la tensione di rumore, fornendo una tensione in uscita perfettamente ripulita.

Da un punto di vista teorico, la cancellazione elimina qualsiasi segnale AC presente all’uscita del regolatore, incluso il rumore sviluppato ai capi dell’impedenza d’uscita del regolatore a causa delle correnti di carico AC. Malgrado la resistenza d’uscita in DC sia ora uguale a \(R_s+R_o\), l’impedenza d’uscita in AC del regolatore viene annullata e rimpiazzata da \(R_s\), che può essere mantenuta molto piccola.

Schema di un circuito di cancellazione del rumore

Un’applicazione è rappresentata nel circuito seguente. All’ingresso non-invertente di un amplificatore differenziale è applicata la tensione di rumore attraverso \(C_1\), più una componente continua di +35 mV utile ad assicurare che il circuito non funzioni mai con una polarità negativa. L’amplificatore differenziale pilota un pozzo di corrente (\(Q_3\) e \(R_L\)) che, grazie al feedback negativo sull’ingresso invertente, segue fedelmente la tensione di rumore in ingresso (\(R_5\) ha la sola funzione di ridurre la dissipazione su \(Q_3\)).

Circuito di cancellazione del rumore di un regolatore di tensione. Un pozzo di corrente controllato in tensione viene pilotato da un’amplificatore differenziale. La tensione di rumore viene attivamente sottratta dalla caduta di tensione su un resistore in serie.

Ponendo \(R_L\equiv R_s\), su entrambi i resistori si ha sostanzialmente la stessa caduta di tensione che, essendo una replica fedele del rumore in ingresso, ne determina la cancellazione. Senza alcuna taratura del circuito, questo porta ad un’attenuazione di circa –20 dB del rumore in ingresso.

La cancellazione migliora ulteriormente portando \(R_L\) a 0,9 Ω, poiché questo compensa in parte gli effetti legati al limitato guadagno d’anello aperto dell’amplificatore d’errore e al \(\beta\) limitato di \(Q_3\), portando l’attenuazione del rumore a ben –30 dB.

Effetto della cancellazione di rumore fornito dal prototipo illustrato in questo articolo. Il rumore in ingresso viene attenuato da 130 µV efficaci a 4,5 µV efficaci, che corrispondono ad un’attenuazione di –30 dB.

Le densità spettrali di rumore misurate all’uscita mostrano una riduzione impressionante, di circa −40 dB alle frequenze intermedie, in tutti i regolatori testati.

Densità spettrale di rumore di vari regolatori, prima e dopo la cancellazione. Attenzione: regolatori dello stesso tipo, ma di diversi produttori, possono presentare specifiche di rumore totalmente diverse.

Il valore di \(R_s\) è abbastanza basso da garantire una caduta di tensione di soli 50 mV per un assorbimento di 50 mA. Il suo valore dovrebbe essere ridotto per correnti maggiori o per ridurre l’impedenza d’uscita del circuito se si prevede la presenza di correnti di carico alternate significative.

Autore: bsproj

Appassionato di musica e progettazione elettronica.

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