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极低噪声幻象电源如何设计?详细原理图和三种消噪方法拿走不谢

04/12 09:38
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Q:是否可以利用5 V、12 V或24 V输入生成紧凑的超低噪声幻像电源 (48 V)?

A:可以,需要使用一个简单的升压转换器、一个滤波器电路来降低EMI,通过一个小技巧则可实现小尺寸。

专业级电容麦克风需要使用48 V电源为内部电容传感器充电,以及为内部缓冲器供电,以提供高阻抗传感器输出。该电源的电流很低,一般只有几mA,但因为麦克风的输出电平非常低,并 且缓冲器本身的电源波纹抑制性能不佳,因此要求电源必须具有极低的噪声。此外,幻像电源不得将EMI注入相邻的低电平电路,这是紧凑型产品始终需要解决的一大挑战。

我们可以使用LT8362升压转换器构建一个高性能电源,该转换器采用60 V、2 A开关,工作频率最高可达2 MHz,且采用3 mm × 3 mm小型封装。下面的电路基于标准的LT8362演示板 DC2628A, 其原理图如图1所示。

图1. 用于构建幻像电源的演示电路DC2628的原理图。

该演示板上的输入EMI滤波器能够借助与输入串联的开关电感器,有效过滤高频率噪声。在输出端,情况则没有这般理想。输出EMI滤波器能够有效抑制MHz区域的噪声,但对音频区域的噪声没什么效果。这些噪声主要由反馈环路中的30×增益引起,这会放大LT8362的基准电压源噪声。

消除这些噪声的方法之一是在输出端增加电容。只要增加足够电容就有效,但对于48 V输出,实际电容的最低工作电压为63 V,这意味着所需的电容既大又昂贵。

第二种方法是将LT8362 输出增大1 V或2 V,并在输出端增加一个LDO稳压器。这需要采用高压LDO稳压器,其成本一般高于低压稳压器。此外,虽然这些稳压器在低输出电压下具有低噪声,但是使用基准电压的器件 也会遇到与LT8362一样的基准电压源噪声倍增问题。

第三种方法是:因为麦克风输出的灵敏性并非高度依赖电源电压,所以无需对幻像电源实施完全调节。这意味着,我们可以将一些电阻与输出电容串联,以提升其有效性;但是,这只能在一定程度上减小高压电容的尺寸。

比较好的方法是让输出电容看起来比实际大。我们可以使用一种称之为电容倍增的传统方法来实现。在图2的灰色阴影部分可看到这个简单电路

图2. 与图1所示的电路相同,但输出端配有电容倍增器(灰色)来抑制开关稳压器产生的音频噪声。

其中,100 μF电容控制基极电流的波纹,所以其对集电极电流的影响会以NPN晶体管的beta值放大。影响非常显著。图3a显示LT8362电路在C4(滤波之前)处的输出,负载为1 kΩ (50 mA)。

图3.滤波之前和之后。(a)在C4处(滤波之前)测量时,升压稳压器输出的噪声含量约为0.2%。(b) 滤波之后,输出的噪声含量明显减少,为0.002%。

噪声约为80 mV p-p,相当于约0.2%的噪声含量。对于非关键应用,这种噪声含量可能足够,但在滤波之后,输出噪声性能明显改善,约为1 mV p-p,如图3b所示。这相当于约0.002%或20 ppm噪声含量,足以满足最严苛的应用要求。图4显示工作台设置。

图4. 使用演示电路DC2628的干净幻像电源的工作台设置。

晶体管SBCP56-16T1G用于在低电流下实现高VCBEO (80 V) 和高β。高β让电容倍增器具备高表观电容,并且随输出电流变化保持相对恒定的压降。输出电压从2 kΩ负载时的47.8 V降低至500 Ω负载时的47.5 V,足以满足麦克风应用的要求。在没有测试噪声和稳压效果的情况下,不要替换另一个晶体管。

测试时使用16 V输入,但性能与12 V至24VIN类似。有些应用可能要求从5 V开始升压,这可以通过将LT8362的开关频率从2 MHz降至1 MHz来实现,从而实现75 ns的最小关断时间。这也要求提高L1,达到约10 μH至15 μH,并且将大容量输出电容C4加倍,以保持等效性能。

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亚德诺半导体全称为亚德诺半导体技术有限公司(analog devices,inc.)简称ADI。是一家专营半导体传感器和信号处理ic的卓越的供应商,ADI将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,并基此成长为该技术领域最持久高速增长的企业之一。ADI是业界卓越的半导体公司,在模拟信号、混合信号和数字信号处理的设计与制造领域都发挥着十分重要的作用。

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