Il rumore nei regolatori discreti con diodi Zener

Nel panorama dell’elettronica audio, i regolatori di tensione discreti basati su diodi Zener sono soluzioni affascinanti per la loro semplicità e versatilità. Tuttavia, non sono privi di difetti, e tra questi il rumore è uno dei più comuni. Recentemente, mi è stato mostrato uno schema di un regolatore di tensione discreto a Zener pubblicato in una rivista tecnica, che ha suscitato il mio interesse (vedi circuito originale). In questo articolo, esploreremo un aspetto cruciale del progetto: la gestione del rumore.

Circuito originale (a sinistra) e modificato (a destra) con l’aggiunta di un resistore al fine di ridurre il rumore prodotto dall diodo Zener .

Il problema del rumore nei diodi Zener

Come molti sanno, i diodi Zener con una tensione superiore a circa 5 V, dove predomina l’effetto valanga, generano un livello di rumore significativo. Questo rumore è particolarmente fastidioso in applicazioni sensibili e richiede un trattamento accurato per evitare che degradi le prestazioni complessive del circuito.

Spesso, per attenuare il rumore generato dai diodi Zener, i progettisti aggiungono un condensatore in parallelo allo Zener, sperando di filtrare efficacemente il segnale indesiderato. Tuttavia, questa soluzione, benché intuitiva, si rivela inefficace per via delle caratteristiche intrinseche del diodo Zener stesso. Infatti, per effetto della sua impedenza interna tipicamente nell’ordine dei 5-50 Ω, il condensatore comincia a filtrare il rumore solo a partire da frequenze comprese tra 30 e 300 Hz con una pendenza di attenuazione di 20 dB per decade. Di conseguenza, il circuito risulta ancora piuttosto rumoroso nella banda audio, come confermato dalle misure effettuate in laboratorio (vedi grafici nei paragrafi seguenti).

Una soluzione più elegante: l’aggiunta di un resistore

Fortunatamente, migliorare le prestazioni di rumore di un regolatore a Zener è più semplice di quanto si possa pensare. Basta aggiungere un resistore in serie al diodo Zener per ottenere un filtro RC decisamente più efficace. Questo intervento consente di abbassare drasticamente la frequenza di taglio, portandola ad appena 0,2 Hz. La differenza è notevole: il rumore nella banda audio viene ridotto in modo significativo, migliorando sensibilmente le prestazioni complessive del circuito.

Tensione di rumore nel tempo: il circuito originale risulta decisamente più rumoroso!

I risultati delle misure di laboratorio

Per confermare l’efficacia di questa modifica, sono state eseguite misure dettagliate sui due circuiti (originale e modificato). Le immagini allegate mostrano chiaramente l’impatto positivo dell’aggiunta del resistore: il rumore risulta drasticamente attenuato, con un miglioramento fino a circa 58 dB, evidenziando ancora una volta come un semplice intervento mirato possa fare la differenza.

Distribuzione spettrale del rumore d’uscita dei due circuiti.

Ma non è tutto oro quello che luccica: infatti, la principale limitazione di questo circuito è che al variare dell’assorbimento del carico, varia anche la tensione d’uscita del regolatore. Fortunatamente, questo aspetto può essere risolto usando una coppia Darlington invece di un singolo transistore.

Circuito modificato con l’aggiunta di un secondo transistore in configurazione Darlington per ridurre la resistenza d’uscita in DC.

Nell’immagine sono confrontate alcune misure di impedenza d’uscita (in AC) e resistenza d’uscita (in DC) eseguite sul circuito. Dal punto di vista AC, non ci sono differenze sostanziali. Al contrario, in DC è evidente come il circuito modificato privo di Darlington presenti una maggior resistenza d’uscita (34 Ω contro 1,4 Ω della versione originale). L’uso di una coppia Darlington risolve definitivamente il problema, riportando la resistenza d’uscita del circuito ad un valore praticamente identico a quello del circuito originale (anche qui, le piccole differenze rientrano nell’errore sperimentale).

Impedenza d’uscita in funzione della frequenza, e resistenza d’uscita statica.

Conclusioni

Questo caso-studio evidenzia l’importanza di considerare attentamente le caratteristiche dei componenti elettronici nei progetti a componenti discreti. La soluzione tradizionale di aggiungere un condensatore in parallelo al diodo Zener può non essere sufficiente per affrontare il problema del rumore, specialmente nella banda audio.

Al contrario, un semplice resistore può trasformare radicalmente le prestazioni del circuito, migliorandone il funzionamento. Questo approccio non solo è efficace, ma dimostra anche come una comprensione approfondita delle basi teoriche e delle proprietà dei componenti possa portare a soluzioni eleganti e pratiche per problemi comuni nell’elettronica.

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