3. Дискретные стабилизаторы компенсационного типа с фильтрацией шумов источников опорных напряжений
Единственным способом, которые позволяет получить нановольтовые шумы на выходе стабилизатора, является использование сложных стабилизаторов компенсационного типа с фильтрацией шумов источника опорного напряжения. Блок-схема такого стабилизатора приведена на рис. 7.
Рис. 7 – Блок-схема малошумящего стабилизатора
Основные элементы блок-схемы выполняют следующие функции.
Входной фильтр обеспечивает первоначальную «очистку» выходного напряжения выпрямителя от высокочастотных помех (переключение диодов выпрямителя, помехи, проникающие из первичной сети через паразитные емкости и т. д.)
Первичный стабилизатор снижает пульсации напряжения выпрямителя до величин, которые уже не оказывают существенного влияния на работу источника образцового напряжения и выходного усилителя. В качестве такого стабилизатора удобно использовать недорогой интегральный стабилизатор из рассмотренных выше.
Источник образцового напряжения (ИОН) генерирует постоянное напряжение с высокой температурной стабильностью и малыми собственными шумами. Современные источники образцовых напряжений (напр. ADR441B [10]) обеспечивают температурную стабильность выходного напряжения лучше 3*10Е-6 на 1 градус, при спектральной плотности шумов меньшей 50нВ/√(Гц) и избыточных НЧ-шумах менее 1 мкВ на частотах 1…10Гц. Это позволяет даже без фильтрации собственных шумов такого ИОН получить широкополосный шум на выходе стабилизатора менее 5…7мкВ, что уже приближается к значениям, полученным выше в качестве требуемых и допустимых.
Фильтр шумов снижает уровень переменной составляющей (т.е. шума) в выходном напряжении ИОН. Обычно это RC фильтр 1 порядка с частотой среза 0.2…1Гц. Применение только одной такой цепочки позволяет снизить шум ИОН на 20дБ на 10-кратной частоте среза (крутизна спада АЧХ фильтра 1-го порядка составляет 20дБ/декаду), т.е. подавить составляющие шума с частотами от 10Гц и выше в 10 и более раз и получить напряжение широкополосного шума менее 0.1…0.2 мкВ в полосе частот до 20000Гц.
Выходной усилитель (или повторитель) предназначен для того, чтобы обеспечить требуемый выходной ток для питания нагрузки. ИОН обычно имеют очень маломощный выход и не могут отдать ток в нагрузку более десятых долей миллиампера. Фильтр шумов – также устройство слаботочное, с высоким выходным сопротивлением. Использование после него мощного повторителя или усилителя на основе малошумящего ОУ позволяет получить выходной ток требуемой величины (десятки-сотни миллиампер) при выходном сопротивлении устройства в сотые доли ома. Современные ОУ – достаточно малошумящие приборы, спектральная плотность шума их входных каскадов не превышает 3…5нВ/√(Гц) и они вносят очень незначительный вклад в общий уровень шумов такого стабилизатора.
Принципиальная схема пятиканального стабилизатора напряжений питания для ЦАП AK4493, разработанная с учетом вышерассмотренных требований, приведена на рис.8.
Рис. 8 – Принципиальная схема пятиканального стабилизатора напряжений питания для ЦАП AK4493
Симметричный входной фильтр питания (15 В) выполнен на элементах L1, C1, C6, C7. Выходной конденсатор фильтра составлен из параллельно включенных электролитического конденсатора C6 и пленочного С1, таким образом устраняется рост импеданса электролитического конденсатора с повышением частоты (обычно для «электролитов» рост начинается с частот 10…20кГц). Первичный стабилизатор напряжения 9В, от которого питаются вторичные высококачественные стабилизаторы, выполнен на микросхеме DA3 типа 7809 согласно типовой схеме включения.
Стабилизатор напряжения питания +1.8В (DVDD микросхемы ЦАП AK4493) на микросхеме DA2 типа LT1963EST-1.8, представляющей собой интегральный стабилизатор 4 поколения с малым падением напряжения и низким уровнем шума[7]. Для данной цепи питания цифровых цепей микросхемы ЦАП шумовые параметры этого стабилизатора являются более, чем достаточными.
4 канала стабилизаторов для питания критических цепей ЦАП, чувствительных к шумам и помехам, реализованы по рассмотренной выше топологии ИОН – фильтр шума – усилитель. Схемы всех 4 каналов идентичны. Для источника образцового напряжения в качестве основы взята микросхема ИОН ADR441BR с выходным напряжением 2.5В и очень низкими собственным шумом и тепловым дрейфом. Для дополнительного снижения помех, воздействующих на ИОН, его питание осуществляется от выхода первичного стабилизатора через дополнительный RC фильтр R10 C10 C14. Высокостабильное напряжение 2.5В с выхода ИОН подается на фильтр шумов R13 C9, представляющий собой RC ФНЧ первого порядка с частотой среза около 0.8 Гц, что позволяет обеспечить снижение шумовой составляющей образцового напряжения в 10 и более раз на частотах выше 8…9 Гц.
С выхода фильтра шумов образцовое напряжение подается одновременно на все 4 опорных входа компенсационных стабилизаторов. Схемы стабилизаторов идентичны и отличаются только номиналом резисторов цепей обратной связи, устанавливающих выходные напряжения по 5В в двух каналах и по 3.3В в двух других. В качестве усилителей рассогласования применяются ОУ типа OPA1654 [11], предназначенные для работы в широком диапазоне напряжений питания (5-36В) и синфазных входных напряжений от (U(-) + 0.5В) до (U(+) - 2В), и отличающиеся низким собственным уровнем шума (4.5нВ/√(Гц)), высоким быстродействием (10В/мкс), большим уровнем подавления помех по цепи питания (более 100дБ) и большим запасом устойчивости (гарантированная устойчивость при К = +1). В одном корпусе OPA1654 содержится 4 независимых ОУ, связанных только по цепи питания, что очень удобно с точки зрения сокращения числа монтируемых на плату компонентов и создания оптимальной топологии печатных дорожек.
Выходы ОУ умощняются внешними эмиттерными повторителями, входящими в общую петлю ООС усилителя рассогласования. Для снижения выходного импеданса стабилизаторов, их выходы шунтированы электролитическими конденсаторами значительной емкости в паре с низкоимпедансными пленочными конденсаторами безвыводной конструкции. Устойчивость работы стабилизаторов с глубокой ООС на емкостную нагрузку обеспечивается «защитными» резистивными цепями в базах и эмиттерах транзисторов повторителей (для верхнего канала это R1 и R4).
Данная схема стабилизаторов питания применяется, в частности, в первом и единственном на сегодняшний день серийно выпускаемом звуковом ЦАП категории High End российского производства Apollo компании Tchernov Audio [12].