¿Se puede atenuar el ruido de cualquier fuente de alimentación conmutada si pongo un regulador lineal antes de la salida?

Un amigo me dijo que el ruido de cualquier fuente de alimentación conmutada se puede atenuar si pongo un regulador lineal antes de la salida. ¿Es eso cierto?

Por ejemplo, si quiero alimentar un amplificador operacional de + -12 V para un amplificador, puedo usar una fuente de alimentación de modo de conmutación (SMPS), digamos, con una salida ruidosa de 15 V y luego desde la salida SMPS alimentar un LM7812 y un LM7912 .

¿La salida de LM7812 y LM7912 ahora tendrá muy poco ruido en comparación con sus entradas?

Si esto es cierto, es sorprendente ya que no hay necesidad de usar un transformador.

¿Es realmente correcto que ya no se necesite una fuente de alimentación pesada que use un transformador para amplificadores de clase A y B?

Sí, es cierto que agregar un regulador lineal después de un SMPS (fuente de alimentación conmutada) reducirá el ruido, pero aún se necesita cuidado. Los resultados pueden ser muy buenos, pero el resultado puede no ser tan bueno como si se hubiera utilizado un transformador alimentado por la red eléctrica más un regulador lineal.

Considere un regulador común de 5V LM7805 de Fairchild. Esto tiene una especificación de "rechazo de ondulación" de 62 dB mínimo. "Ondulación" es ruido de entrada, pero generalmente está relacionado con las dos veces variaciones de frecuencia de la red eléctrica de la entrada de red rectificada y suavizada. Esta es una reducción en el ruido de 10 ^ (dB_noise_rejection / 20) = 10 ^ 3.1 ~ = 1250: 1 Es decir, si hubiera 1 Volt de "ondulación" en la entrada, esto se reduciría a 1 mV en la salida. Sin embargo, esto se especifica como a 120 Hz = dos veces la frecuencia de red de EE. UU., Y no se proporciona ninguna especificación o gráfico para la reducción de ruido a frecuencias más altas.

El regulador LM340 5V funcionalmente idéntico de NatSemi tiene una especificación ligeramente mejor (68 dB mínimo, 80 dB típico = 2500: 1 a 10,000: 1) a 120 Hz.
Pero NatSemi también proporciona amablemente un gráfico del rendimiento típico a frecuencias más altas (esquina inferior izquierda de la página 8).

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Se puede ver que para una salida de 5V, el rechazo de ondulación se ha reducido a 48dB a 100 kHz (= 250: 1). También se puede ver que está cayendo linealmente a aproximadamente 12 dB por década (60 dB a 10 kHz, 48 dB a 100 kHz). Extrapolar esto a 1 MHz produce un rechazo de ruido de 36 dB a 1 Mhz (~ = reducción de ruido 60: 1 ) . No hay garantía de que esta extensión a 1 MHz sea realista, pero el resultado real no será una letra y debería (probablemente) No será mucho peor.

Como la mayoría (pero no todos) los suministros de smps operan en el rango de 100 kHz a 1 MHz, se puede estimar que el rechazo de ruido será del orden de 50: 1 a 250: 1 en el rango de 100-1000 kHz para frecuencias de ruido fundamentales. Sin embargo, los smps tendrán una salida diferente a su frecuencia de conmutación fundamental, a menudo mucho más alta. Los picos de aumento rápido muy delgados que pueden ocurrir en los bordes de conmutación debido a la inductancia de fuga en los transformadores y similares serán menos atenuados que el ruido de baja frecuencia.

Si usara un smps por sí mismo, generalmente esperaría proporcionar algún tipo de filtro de salida y el uso de filtros LC pasivos con un "regulador posterior" lineal aumentará su rendimiento.

Puede obtener reguladores lineales con un rechazo de ondulación mejor y peor que el LM340, y lo anterior le muestra que dos circuitos integrados funcionalmente idénticos pueden tener especificaciones algo diferentes.

La eliminación del ruido de los smps será de gran ayuda con un buen diseño. El tema es demasiado complejo como para hacer algo más que mencionarlo aquí, pero es muy bueno sobre este tema en Internet (y en las respuestas anteriores de intercambio de pila). Los factores incluyen el uso adecuado de los planos de tierra, la separación, la minimización del área en los circuitos de corriente, no romper las rutas de retorno de corriente, identificar rutas de flujo de alta corriente y mantenerlas cortas y alejadas de las partes sensibles al ruido del circuito (y mucho más).

Entonces, sí, un regulador lineal puede ayudar a reducir el ruido de salida de smps y puede ser lo suficientemente bueno como para permitirle alimentar amplificadores de audio directamente de esta manera (y muchos diseños pueden hacer eso), pero un regulador lineal no es una "bala mágica" en Esta aplicación y buen diseño sigue siendo vital.

Un regulador lineal tiene un ancho de banda limitado en el que puede regular. Se pasan altas frecuencias. Lo bueno que se encuentra un regulador amortigua las frecuencias se encuentra en el rechazo de ondas. Busque una hoja de datos LM317 y busque gráficos de la relación de rechazo de ondulación contra la frecuencia:

Depende de la corriente de carga, los voltajes de entrada y salida y, aparentemente, también si coloca un condensador en el pin Adj. Además, cae rápidamente a frecuencia. La mayoría de las especificaciones se realizan a baja frecuencia, por lo que funciona perfectamente después de un transformador (que probablemente sea una ondulación de 100 Hz o 120 Hz).

Si obtiene un SMPS típico de estos días, puede cambiar a varios cientos de kHz. Aparentemente, un LM317 con un condensador de 10 uF en el pin de ajuste solo maneja 40 dB a 100 kHz y 20 dB a 1 MHz. Una ondulación de 1 MHz 1 V _pp aún pasaría como una ondulación de 0,1 V _pp . A frecuencias más altas solo empeorará y caerá a 0 dB, lo que no implica amplificación ni amortiguación.

Este es un regulador LM317 barato, hay mejores en el mercado. Los LDO generalmente no son tan buenos en el rechazo de ondas debido a su naturaleza de ser un poco menos estables.

Alternativamente, podría usar un filtro LC para humedecer las cosas de alta frecuencia. Sin embargo, tenga en cuenta que un filtro LC tiene una frecuencia de resonancia, que puede atenuar una determinada frecuencia decenas de veces.

No puedo ver (a menos que su regulador esté oscilando) un regulador lineal amplificaría el ruido en su lugar. Claro, siempre agregará ruido de amplio espectro (ruido de temperatura, ruido de parpadeo, etc.), pero también lo harán los transistores, resistencias, opamps, diodos, etc.

Sin embargo, debido a que está hablando de audio, me gustaría agregar a esa situación específica:

• Un amplificador operacional también tiene su propia PSRR (relación de rechazo de la fuente de alimentación). Algunos componentes no tienen gráficos para esta figura, sin embargo, esto también se agrega a su regulador lineal. Un amplificador operacional de precisión AD8622 tiene aproximadamente 20 dB - 40 dB de amortiguación a 100 kHz. (Los suministros positivos suelen estar mejor amortiguados que los negativos).
• Si un SMPS cambia por encima de 400 kHz, ¿le importaría / escucharía el ruido?

Como dice Hans, un regulador lineal no detendrá el ruido de HF de un SMPS. Usted puede filtrar si con componentes pasivos como condensadores y bobinas. Debido a que las frecuencias involucradas son mucho más altas que la ondulación de 100Hz de la que tiene que deshacerse en un suministro clásico, no necesitará esa gran electrolítica. (Estos electrolíticos tienen que ser grandes porque con frecuencia son la única forma de "regular" el voltaje rectificado).
Así que la palabra es desacoplamiento pasivo. Si realmente desea usar un regulador lineal, puede usar un LDO ya que su voltaje de entrada no variará.

Por cierto, todavía necesita un transformador en su SMPS, por supuesto, de lo contrario su amplificador puede ser una experiencia impactante. Pero puedes hacerlo mucho más pequeño que los clásicos.

Lo principal que debe hacer es enrutar sus rastros correctamente. Si conecta su señal de audio a la tierra justo al lado del SMPS, y luego tiene un regulador lineal después de esto, no le servirá de nada. Debe "canalizar" los rastros de tierra de una etapa a la siguiente, y conectar sus circuitos de audio a la tierra en la tapa de salida del regulador lineal.

Los cables no son conductores perfectos, y una corriente ruidosa que pasa a través de un nodo de tierra hará que el voltaje fluctúe. Usar un terreno fluctuante como referencia de audio significa que las fluctuaciones se vuelven parte de la señal.

Los estranguladores torroidales y las tapas de baja ESR también reducen la ondulación, que puede ser más simple para reducir 40 db o más y elimina la necesidad de un regulador LDO.

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

Aquí hay más información que respalda algunas de las opciones que Russell ya explicó con excelente detalle.

Vale la pena señalar la página (9) del artículo que he adjuntado, ya que las curvas características de las perlas de ferrita son otra excelente consideración para la amortiguación de alta frecuencia, pero rara vez se utilizan.

Una vez más, no hay una bala mágica, y la ferrita tiene una ventana más pequeña de aplicación útil que un circuito LC o RC común porque su efecto no es tan drástico, pero lo más importante es su efecto sobre la impedancia sin los efectos secundarios comunes asociados con los otros dos opciones, y se utiliza en el lugar correcto, la ferrita puede tener un efecto excepcional en la estabilidad.

Como Peter preguntó anteriormente, con respecto al ruido audible, es muy cierto que el filtrado dentro de una banda de frecuencia audible, digamos 20hz-20khz; puede ser una forma rápida de hacer que una fuente de alimentación sea muy útil. Vemos esto en filtros RC en amplificadores de guitarra todo el tiempo. En mi experiencia, especialmente en amplificadores de instrumentos de audio, esto solo se vuelve más cierto cuando el >> ingeniero final, de hecho, es un transformador de salida tradicional que tiene una frecuencia de corte generalmente entre 20khz-10khz, que luego se acopla a un altavoz de marco de metal tradicional, y Como es el caso de la guitarra, estos altavoces suelen estar atenuados para tener un corte de alrededor de 8Khz.

Entonces comenzamos a levantar la ceja incluso a un ruido de 100 kHz, no vale la pena el esfuerzo.

Pero en la práctica es una historia diferente, porque, como sabemos, la frecuencia fundamental de interés tiende a no favorecer a nadie y, naturalmente, crea armónicos de sí misma, extendiéndose hasta el rango audible. Si la frecuencia fundamental es inherentemente ruido, esto se convierte en una medida de control difícil de alcanzar, ya que muchas veces incluye más de una frecuencia fundamental, y el uso de filtros RC y LC puede tener efectos difusos al cambiar el "tono" del ruido más de tratándolo. Por lo tanto, puede ver lo fácil que estos efectos pueden crear una carrera en el papel.

Por lo tanto, para acomodarse a esto, llegar al estadio correcto a veces puede ser tan fácil conocer las características del Ic que elegimos o cualquier característica inherente del diseño de la fuente de alimentación que elegimos. Después de ese punto, asegurándose de acercarse a ruido con consideraciones iguales tanto en la frecuencia audible, y las frecuencias de orden superior puede dar resultados profundos.