Собственная компенсация шумов источника опорного напряжения в непрерывных компенсационных стабилизаторах
Аннотация
В работе рассмотрена архитектура стабилизаторов, реализующих эффект собственной компенсации шумов источника опорного напряжения. Реализация схем собственной компенсации шумовой составляющей позволяет существенно понизить коэффициент шума в сравнении с классической схемой при сравнительно небольших значениях емкости корректирующего конденсатора. Приводится математический анализ предлагаемой схемы. Результаты подтверждены компьютерным моделированием в САПР Cadence с использованием моделей транзисторов 0,6 мкм БиКМОП техпроцесса.
Ключевые слова: стабилизатор напряжения, шум, система на кристалле, БиКМОП технология, компьютерное моделирование, собственная компенсация
05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
В современной микроэлектронике широкое применение получили непрерывные стабилизаторы напряжения (СН) [1, 2], которые стали основой многих серийных микросхем (HMC976LP3E, LP3999, ADP221, LTC1844, LTC1844 и др.). Существенный недостаток таких СН состоит в том, что для уменьшения уровня выходных шумов, обусловленных источником опорного напряжения, приходится применять конденсаторы большой емкости, шунтирующие низкоомный выход СН и его нагрузку. Это не позволяет создавать непрерывные СН, обеспечивающие электропитанием транзисторные узлы «систем на кристалле» (СнК), реализуемые по многим перспективным технологическим процессам.
В настоящей работе рассматриваются структуры стабилизаторов, обладающих эффектом собственной компенсации шумов источника опорного напряжения при сравнительно малых значениях емкостей используемых конденсаторов.
На рис. 1а показан метод выделения шумовой составляющей (uш) источника опорного напряжения VD1, который может быть выполнен, например, по классическим схемам Видлара или в виде традиционного стабилитрона:
(1)
где Uст – постоянная составляющая напряжения на источнике опорного напряжения VD1;
- некоторое переменное напряжение, связанное с наличием шумов, различных помех, наводок и т.п. на источнике опорного напряжения VD1 (ИОН).
а) б)
Рис. 1 Метод выделения «шумовой» составляющей источников опорного напряжения (а) и классическая схема компенсационного СН (б)
В классической схеме стабилизатора (рис. 1б) выходное напряжение 
связано с напряжением Uст(t) на источнике опорного напряжения известным соотношением
, (2)
где 
- коэффициент передачи резистивного делителя напряжения;
Т – петлевое усиление стабилизатора.
Причем:
, (3)
где Rн.экв – эквивалентное сопротивление цепи нагрузки на выходе СН (Вых);
Ki1, Ki2 – коэффициенты передачи по току регулирующего элемента РЭ по первому инвертирующему и второму неинвертирующему входам;
h11.1=h11.2 – h-параметры транзисторов VT1 и VT2 в схеме с общей базой (
Ом).
Если 
, что обеспечивается 
, 
[3, 4, 5], то
. (4)
Следовательно, в первом приближении переменная (шумовая) составляющая выходного напряжения СН рис. 1б в N1-раз больше, чем напряжение шумов uш источника опорного напряжения, где
. (5)
Для уменьшения напряжения шумов на выходе СН рис. 1б, как правило, вводится корректирующая емкость С1, эквивалентная постоянная времени которой
, (6)
Как следует из (6), для получения больших значений 
, т.е. эффективного подавления низкочастотных помех и шумов, приходится выбирать достаточно большие значения емкости конденсатора С1, так как 
. Во многих случаях это неприемлемо, так как из-за существенных геометрических размеров конденсатора С1 он не всегда может располагаться на подложке «системы на кристалле» и/или « системы в корпусе».
На рисунке 2 представлены архитектуры цепей собственной компенсации шумов ИОН с интегрирующим (а) и дифференцирующим (б) RC-фильтрами.
а) б)
Рис. 2 Методы собственной компенсации шума источника опорного напряжения с интегрирующим (а) и дифференцирующим (б) RC-фильтром
Будем считать, что постоянная времени конденсатора С1 в схеме рис. 2а выбрана такой, что в анализируемом частотном диапазоне шумов (помех, наводок) напряжение 
между входами дифференциального усилителя ДУ2 равно напряжению шумов uш между входами усилителя сигнала рассогласования ДУ1, т.е. 
. В этом случае входные токи i1 и i2 регулирующего элемента (РЭ):
, (7)
, (8)
где
, (9)
. (10)
Если обеспечить равенства 
, то на входах 1 и 2 и, следовательно, на выходе СН будет отсутствовать переменное напряжение шума, связанное с шумом источника опорного напряжения ИОН. В то же время для постоянной составляющей выходного напряжения СН справедливо уравнение
, (11)
так как дополнительный усилитель ДУ1 не влияет на работу схемы в статическом режиме.
На рис. 3 показаны результаты моделирования схемы рис. 2а в САПР Cadence Virtuoso на моделях 0,6 мкм БиКМОП техпроцесса XB06 фирмы «X-Fab».
Рис. 3 Коэффициент передачи шума схемы рис. 2а от источника опорного напряжения на выход при различных емкостях C1
Была снята зависимость коэффициента передачи шума СН от источника опорного напряжения ИОН к выходу СН при значениях емкости корректирующего конденсатора С1, изменяющегося в пределах от 500пФ до 100мкФ. Из этого рисунка следует, что при увеличении емкости корректирующего конденсатора С1 расширяется в сторону низких частот диапазон ослабления шумов источника опорного напряжения. Так, при С1=100 мкФ можно наблюдать ослабление шумов больше в четыре раза в диапазоне от 10 Гц до 10 МГц.
Таким образом, в предлагаемой схеме рис. 2а обеспечивается подавление переменных шумов, помех и наводок, присутствующих в выходном напряжении опорного источника ИОН. При этом диапазон частот, в котором это подавление обеспечивается, зависит от численных значений постоянной времени 
. Учитывая, что резистор R4 может иметь значения сопротивлений в единицы-десятки кОм, можно сделать вывод о том, что численные значения емкости конденсатора С1, обеспечивающего эффективное подавление шумов uшв заданном диапазоне частот, в предлагаемой схеме в Nc-раз меньше, чем в классическом СН, где
. (12)
Следовательно, при одинаковых значениях емкости конденсатора С1 в схемах рис. 1б и рис. 2 предлагаемые цепи компенсации обеспечивают более эффективное подавление шумов ИОН.
На рис. 4 представлена зависимость выходного и входного шума (или помехи) от частоты при емкости корректирующего конденсатора C1=4,5мкФ в СН рис. 2а. На частоте 50 Гц выходной шум равен входному, а выше по частоте он начинает уменьшаться, достигая значения шума в 1,66 раза меньше, чем входной шум на частоте 100 Гц и 76,6 раза на частоте 10 кГц.
Рис. 4 Выходной шум схемы рис. 2а при емкости С1=4,5мкФ
Таким образом, компьютерное моделирование подтверждает результаты качественного анализа. Реализация методов собственной компенсации шумовой составляющей источника опорного питания позволяет существенно понизить коэффициент шума в сравнении с классической схемой СН при сравнительно небольших значениях емкости корректирующего конденсатора.
Статья подготовлена при выполнения НИР по теме «Разработка и исследование аналоговой электронной компонентной базы нового поколения для систем связи, радиоэлектроники и технической кибернетики» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы»
Литература
1.Дворников О.В., Чеховский В.А., Крутчинский С.Г., Щекин Д.А., Щербинин И.П., Прокопенко Н.Н., Старченко Е.И. Импортозамещающие практические разработки и проекты ИС на базе радиационностойкого АБМК // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем : сб. науч. трудов всерос. науч.- практ. конф. М. : ИППМ РАН, 2006, С. 200-205
2.Будяков А.С., Прокопенко Н.Н., Савченко Е.М., Крутчинский С.Г., Старченко Е.И. Опыт разработки и моделирования аналоговых микросхем с предельными параметрами на базе Российских биполярных технологий // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем : сб. науч. трудов всерос. науч.- практ. конф. М. : ИППМ РАН, 2006, С. 206-211
3.Прокопенко Н.Н., Серебряков А.И., Манжула В.Г. Особенности проектирования дифференциальных усилителей с повышенным коэффициентом усиления при низкоомной нагруке // Научно-технические ведомости СПбГПУ «Информатика, Телекоммуникации и управление». 2010. № 103. С. 39-42.
4.Прокопенко Н.Н., Будяков П.С., Манжула В.Г. Метод повышения коэффициента усиления SiGe-операционных усилителей с низковольтным питанием // Научно-технические ведомости СПбГПУ «Информатика, Телекоммуникации и управление». 2010. № 103. С. 58-62.
5.Прокопенко Н.Н., Коабасюк Н.В., Серебряков А.И., Метод собственной компенсации импедансов пассивной коллекторной нагрузки в широкополосных усилителях // Успехи современной радиоэлектроники. Зарубежная радиоэлектроника. 2011. № 9. С. 71-76.