O ruído de qualquer PSU de comutação pode ser atenuado se eu colocar o regulador linear antes da saída?

Um amigo me disse que o ruído de qualquer PSU de comutação pode ser atenuado se eu colocar o regulador linear antes da saída. Isso é verdade?

Por exemplo, se eu quiser alimentar um amplificador operacional de +12 V para um amplificador, posso usar uma fonte de alimentação de modo de comutação (SMPS), por exemplo, com uma saída ruidosa de 15 V e, a partir da saída SMPS, alimentar um LM7812 e um LM7912 .

A saída do LM7812 e do LM7912 agora terá ruído muito baixo comparado às suas entradas?

Se isso for verdade, isso é incrível, pois não há mais necessidade de usar um transformador.

É realmente correto que um PSU pesado usando um transformador para amplificadores de classe A e B não seja mais necessário?

Sim, é verdade que adicionar um regulador linear após um SMPS (fonte de alimentação comutada) reduzirá o ruído, mas ainda é necessário cuidado. Os resultados podem ser muito bons, mas o resultado pode não ser tão bom como se um transformador alimentado por rede e um regulador linear tivessem sido usados.

Considere um regulador LM7805 5V comum da Fairchild. Isso tem uma especificação de "rejeição de ondulação" de 62 dB no mínimo. "Ondulação" é ruído de entrada, mas geralmente está relacionado às variações de frequência da rede elétrica duas vezes da entrada de rede retificada e suavizada. Esta é uma redução no ruído de 10 ^ (dB_noise_rejection / 20) = 10 ^ 3.1 ~ = 1250: 1 Ou seja, se houvesse 1 Volt de "ondulação" na entrada, isso seria reduzido para 1 mV na saída. No entanto, isso é especificado como sendo de 120 Hz = duas vezes a frequência da rede elétrica dos EUA, e nenhuma especificação ou gráfico é fornecido para redução de ruído em frequências mais altas.

O regulador LM340 de 5V funcionalmente idêntico da NatSemi tem uma especificação um pouco melhor (68 dB mínimo, 80 dB típico = 2500: 1 a 10.000: 1) a 120 Hz.
Mas o NatSemi também fornece um gráfico do desempenho típico em frequências mais altas (canto inferior esquerdo da página 8).

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Pode-se observar que, para rejeição de ondulação de saída de 5V, é reduzida a 48dB a 100 kHz (= 250: 1). Também pode ser visto que está caindo linearmente em cerca de 12 dB por década (60 dB a 10 kHz, 48 dB a 100 kHz). Extrapolar para 1 MHz fornece rejeição de ruído de 36 dB a 1 Mhz (~ = redução de ruído de 60: 1 ) . Não há garantia de que essa extensão para 1 MHz seja realista, mas o resultado real não será mais do que isso e deve (provavelmente) não ser muito pior.

Como a maioria dos suprimentos de smps (mas não todos) opera na faixa de 100 kHz a 1 MHz, é possível prever que a rejeição de ruído será da ordem de 50: 1 a 250: 1 na faixa de 100-1000 kHz para frequências de ruído fundamentais. No entanto, os smps terão saída diferente da frequência de comutação fundamental, geralmente muito mais alta. Picos de subida rápida muito finos que podem ocorrer nas arestas de comutação devido à indutância de vazamento nos transformadores e similares serão menos atenuados que o ruído de frequência mais baixa.

Se você estivesse usando um smps por si só, normalmente esperaria fornecer alguma forma de filtragem de saída e o uso de filtros LC passivos com um "pós-regulador linear" aumentará seu desempenho.

Você pode obter reguladores lineares com rejeição de ondulação melhor e pior que o LM340 - e o acima mostra que dois ICs funcionalmente idênticos podem ter especificações um pouco diferentes.

A eliminação de ruído dos smps será muito ajudada por um bom design. O assunto é muito complexo do que fazer mais do que mencioná-lo aqui, mas há muito de bom nesse assunto na internet (e em respostas anteriores de troca de pilhas). Os fatores incluem o uso adequado de planos de aterramento, separação, minimizando a área nos circuitos de corrente, não quebrando os caminhos de retorno de corrente, identificando os caminhos de alto fluxo de corrente e mantendo-os curtos e afastados das partes sensíveis do ruído do circuito (e muito mais).

Então - sim, um regulador linear pode ajudar a reduzir o ruído de saída smps e pode ser bom o suficiente para permitir que você amplifique amplificadores de áudio diretamente dessa maneira (e muitos projetos podem fazer exatamente isso), mas um regulador linear não é uma "bala mágica" em esta aplicação e um bom design ainda são vitais.

Um regulador linear tem uma largura de banda limitada na qual pode regular. As altas frequências são passadas. O quão bom um regulador reduz as frequências é encontrado na rejeição de ondulações. Consulte uma folha de dados do LM317 e pesquise gráficos das taxas de rejeição de ondulação em relação à frequência:

Depende da corrente de carga, tensões de entrada e saída e, aparentemente, também se você colocar um capacitor no pino de ajuste. Além disso, cai rapidamente na frequência. A maioria das especificações é feita em baixa frequência, para que funcione perfeitamente após um transformador (que provavelmente será uma ondulação de 100 ou 120 Hz).

Se você receber um SMPS típico desses dias, ele poderá alternar a várias centenas de kHz. Aparentemente, um LM317 com um capacitor de 10 uF no pino de ajuste gerencia apenas 40 dB a 100 kHz e 20 dB a 1 MHz. Uma ondulação de 1 MHz a 1 V _pp ainda passaria como uma ondulação de 0,1 V _pp . Em frequências mais altas, apenas piora e cai para 0 dB, o que não é amplificação nem amortecimento.

Este é um regulador LM317 barato, existem melhores no mercado. Os LDOs normalmente não são tão bons na rejeição de ondulações devido à sua natureza de serem um pouco menos estáveis.

Como alternativa, você pode usar um filtro LC para amortecer as coisas de alta frequência. Observe, no entanto, que um filtro LC tem uma frequência de ressonância, que pode atenuar uma certa frequência dezenas de vezes!

Não consigo ver (a menos que seu regulador esteja oscilando) um regulador linear amplificaria o ruído. Claro, ele sempre adiciona ruído de amplo espectro (ruído de temperatura, ruído de cintilação, etc.), mas também transistores, resistores, opamps, diodos etc.

No entanto, como você está falando sobre áudio, gostaria de acrescentar a essa situação específica:

• Um amplificador operacional também possui seu próprio PSRR (índice de rejeição da fonte de alimentação). Alguns componentes não possuem gráficos para esta figura, no entanto, isso também contribui para o seu regulador linear. Um amplificador operacional de precisão AD8622 possui cerca de 20 dB - 40 dB de amortecimento a 100 kHz. (Normalmente, os suprimentos positivos são melhor amortecidos do que os negativos).
• Se um SMPS alternar acima de 400 kHz, você se importaria / ouviria o ruído?

Como Hans diz, um regulador linear não interrompe o ruído HF de um SMPS. Você pode filtrar se com passivos, como capacitores e bobinas. Como as frequências envolvidas são muito mais altas do que a onda de 100Hz da qual você precisa se livrar de um suprimento clássico, não precisará desses grandes eletrolíticos. (Esses eletrolíticos precisam ser grandes, porque na maioria das vezes são a única maneira de "regular" a tensão retificada.)
Portanto, desacoplamento passivo é a palavra. Se você realmente deseja usar um regulador linear, pode usar um LDO, pois a tensão de entrada não varia.

BTW, você ainda precisa de um transformador no seu SMPS, é claro, caso contrário, seu amplificador pode ser uma experiência chocante. Mas você pode torná-lo muito menor que os clássicos.

A principal coisa que você precisa fazer é rotear seus rastros corretamente. Se ligar o sinal de áudio para o chão ao lado da SMPS, e depois ter um regulador linear após isso, ele não vai fazer nenhum bem. Você precisa "canalizar" os traços de terra de um estágio para o outro e conectar seu circuito de áudio ao terra na tampa de saída do regulador linear.

Os fios não são condutores perfeitos, e uma corrente ruidosa que passa através de um nó terra fará com que a tensão flutue. Usar um solo flutuante como referência de áudio significa que as flutuações se tornam parte do sinal.

As bobinas toroidais e as tampas de baixa ESR também reduzem a ondulação, que pode ser mais simples de reduzir 40 db ou mais e elimina a necessidade de regulador LDO.

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

aqui estão mais algumas informações que suportam algumas das opções que Russell já explicou em excelentes detalhes.

A página (9) da artical que anexei é definitivamente digna de nota, pois as curvas de características das esferas de ferrite são outra excelente consideração para amortecimento de alta frequência, mas muito raramente são usadas.

Mais uma vez, nenhuma bala mágica e a ferrita têm uma janela menor de aplicação útil do que um circuito comum de LC ou RC, porque seu efeito não é tão drástico, mas o grande problema é o efeito na impedância, sem os efeitos colaterais comuns associados aos outros dois. opções, e usadas no lugar certo, a ferrita pode ter um efeito excepcional na estabilidade.

Como Peter perguntou anteriormente, em relação ao ruído audível, é bem verdade que a filtragem dentro de uma banda de frequência audível diz 20hz-20khz; pode ser uma maneira rápida de tornar uma fonte de alimentação muito utilizável. Vemos isso em filtros RC em amplificadores de guitarra o tempo todo. Na minha experiência, especialmente em amplificadores de instrumentos de áudio, isso só se torna mais verdadeiro quando o engenheiro final >> é, de fato, um transformador de saída tradicional que possui uma frequência de corte geralmente entre 20khz-10khz, que depois acopla a um alto-falante de armação de metal tradicional, e como é o caso do violão, esses alto-falantes geralmente são atenuados para ter um ponto de corte em torno de 8Khz.

Então começamos a levantar a sobrancelha mesmo com ruído de 100khz, não vale o esforço.

Mas, na prática, é uma história diferente, porque, como sabemos, a frequência fundamental do interesse tende a não favorecer ninguém e, naturalmente, cria harmônicos em si mesma, estendendo-se até o alcance audível. Se a frequência fundamental é inerentemente ruído, isso se torna uma medida de controle indescritível, porque muitas vezes inclui mais de uma frequência fundamental, e o uso dos filtros RC e LC pode desencadear efeitos alterando o "tom" do ruído mais do que tratá-lo. Assim, você pode ver como esses efeitos podem criar uma corrida no papel com facilidade.

Portanto, para acomodar isso, às vezes é fácil conhecer o estádio certo, conhecendo as características do CI que escolhemos ou quaisquer características inerentes ao design da fonte de alimentação que escolhemos. Após esse ponto, certificando-se de abordar ruído com considerações iguais tanto na frequência audível, e as freqüências de alta ordem pode dar resultados profundos.