Fakulta elektrotechnickёў

ˇ ´ vysoke ´ uc ˇen´ı technicke ´ v Praze Cesk e ´ Fakulta elektrotechnicka

´ RSK ˇ ´ PRACE ´ BAKALA A Line´ arn´ı regul´ ator ss napˇ et´ı s velmi n´ızk´ ym ˇ sumem

Praha, 2009

Autor: Martin Hor´ ak

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou bakaláˇrskou práci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady ( literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pˇriloˇzeném seznamu. Nemám závaˇzn´ y d˚ uvod proti uˇzit´ı tohoto ˇskoln´ıho d´ıla ve smyslu § 60 Zákona ˇc.121/2000 Sb. , o právu autorském, o právech souvisej´ıc´ıch s právem autorsk´ ym a o zmˇenˇe nˇekter´ ych zákon˚ u (autorsk´ y zákon).

V Praze dne podpis

i

Podˇ ekov´ an´ı Chtˇel bych podˇekovat vedouc´ımu bakaláˇrské práce doc. Ing. Jaroslavu Roztoˇcilovi,CSc. a doc. Ing. Václavu Papeˇzovi,CSc. za pomoc s realizac´ı této bakalaˇrské práce.

ii

Abstrakt Nápln´ı této práce je návrh a realizace lineárn´ıho regulátoru stejnosmˇerného napˇet´ı s velmi n´ızk´ ym ˇsumem. Dále je v této práci uvedeno porovnán´ı jednotliv´ ych zkonstruovan´ ych regulátor˚ u s komerˇcn´ımi obvody bˇeˇznˇe pouˇz´ıvan´ ymi ve spotˇrebn´ı elektronice a technick´ ych zaˇr´ızen´ıch.

iii

Abstract This work is focused on design and realization of linear regulator of DC voltage with very low noise. Realized regulators are compared with commercial circuits commonly used in consumer electronics and technical devices.

iv

originál zadán´ı

v

Obsah Seznam obr´ azk˚ u

viii

Seznam tabulek

x

´ 1 Uvod

1

2 Teoretick´ aˇ c´ ast

2

2.1

2.2

Rozdˇelen´ı lineárn´ıch regulátor˚ u ss napˇet´ı z hlediska konstrukce . . . . . . .

2

2.1.1

Sériové zapojen´ı lineárn´ıho regulátoru napˇet´ı . . . . . . . . . . . . .

4

2.1.1.1

Referenˇcn´ı zdroj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.1.1.2

Mˇeˇric´ı ˇclen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.1.1.3

Porovnávac´ı obvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.1.1.4

Zesilovaˇc odchylky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.1.1.5

Akˇcn´ı ˇclen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

ˇ Sum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.2.1

Zdroje ˇsumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.2.1.1

Tepeln´ y ˇsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.2.1.2

V´ ystˇrelov´ y ˇsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.2.1.3

Partitivn´ı ˇsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Sum typu 1/f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.2.1.5 Praskav´ y ˇsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Sumov´ e vlastnosti elektronick´ ych souˇcástek . . . . . . . . . . . . . .

7 8

2.2.2.1

Pasivn´ı souˇca´stky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.2.2.2

Aktivn´ı souˇcástky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.2.1.4 2.2.2

3 Praktick´ aˇ c´ ast 3.1

7

11

Zapojen´ı zdroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1.1

Referenˇcn´ı zdroj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1.2

Rozd´ılov´ y zesilovaˇc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 vi

3.2

3.1.3

Akˇcn´ı ˇclen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.4

Mˇeˇric´ı ˇclen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.5

Ostatn´ı souˇca´stky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Mˇeˇren´ı ˇsumu

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4 Z´ avˇ er

23

Literatura

23

A Ostatn´ı realizovan´ a zapojen´ı

I

A.1 Vliv emitorového sledovaˇce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I

A.2 Paraleln´ı ˇrazen´ı tranzistor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV A.3 Porovnán´ı obvod˚ u s operaˇcn´ımi zesilovaˇci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI A.4 Porovnán´ı továrnˇe vyrábˇen´ ych stabilizátor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . XII B Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

XVII

vii

Seznam obr´ azk˚ u 2.1

Princip sériového regulátoru napˇet´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.2

Princip paraleln´ıho regulátoru napˇet´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.3

Zapojen´ı se spoleˇcn´ ym kolektorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.4

Zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.5

Drátov´ y rezistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.6

Závislost ˇsumového ˇc´ısla na frekvenci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1 3.2

Schéma zapojen´ı zdroje s tranzistorem SSM2210 . . . . . . . . . . . . . . . 12 ˇ Sum napˇet’ové reference LT1021CCN8-10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.3

Vliv velikosti kolektorového proudu na ˇsum u tranzistoru SSM2210 . . . . 16

3.4 3.5

Vliv velikosti vstupn´ıho odporu na ˇsum u tranzistoru SSM2210 . . . . . . . 16 ˇ Sum zdroje, kter´ y je zapojen podle schématu viz. obrázek 3.1 . . . . . . . 18

3.6

Porovnán´ı ˇsumu integrovaného stabilizátoru 7812(zdroj c.6 v tabulce A.3) zapojeného viz. obrázek A.12 se zapojen´ım zdroje viz. obrázek 3.1 . . . . . 19

3.7

Vliv vstupn´ıho odporu do báz´ı tranzistor˚ u Q1 a Q2 . . . . . . . . . . . . . 20

3.8

Blokové schéma mˇeˇric´ıho ˇretˇezce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.9

Oddˇelˇen´ı stejnosmˇerné sloˇzky, R1 =150 Ω, Rz =47 Ω, C=4700 μF . . . . . . 21

3.10 Spektráln´ı analyzátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 A.1 Schéma zapojen´ı zdroje se zv´ yˇsen´ ym v´ ystupn´ım proudem . . . . . . . . . .

II

A.2 Porovnán´ı nˇekolika typ˚ u tranzistor˚ u na m´ıstˇe tranzistoru Q3 . . . . . . . . III A.3 Zapojen´ı v´ıce tranzistor˚ u SSM2210 paralelnˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . IV A.4 Zapojen´ı v´ıce tranzistor˚ u SSM2210 paralelnˇe, zdroj c.1 jeden tranzistor SSM2210, zdroj c.4 ˇctyˇri tranzistory paralelnˇe . . . . . . . . . . . . . . . .

V

A.5 Zapojen´ı s operaˇcn´ım zesilovaˇcem(zdroje c.2 aˇz c.5) . . . . . . . . . . . . . VII A.6 Zapojen´ı s operaˇcn´ım zesilovaˇcem AD797 (zdroj c.1)

. . . . . . . . . . . . VII

A.7 Zapojen´ı s operaˇcn´ım zesilovaˇcem(zdroje c.7 aˇz c.9) . . . . . . . . . . . . . VIII A.8 Porovnán´ı OZ s referenc´ı REF02 viz. tabulka A.2 . . . . . . . . . . . . . . IX A.9 Porovnán´ı OZ s referenc´ı LT1019CN8-5 viz. tabulka A.2 . . . . . . . . . . viii

X

A.10 Porovnán´ı OZ, jako reference pouˇzita baterie viz. tabulka A.2 . . . . . . . XI A.11 Zapojen´ı stabilizátoru napˇet´ı 7805 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII A.12 Zapojen´ı stabilizátoru napˇet´ı 7812 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII A.13 Zapojen´ı stabilizátoru napˇet´ı LM317 s nastaven´ ym v´ ystupn´ım napˇet´ım pˇribliˇznˇe 12V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIV ˇ A.14 Sum obvodu se stabilizátorem LM317, zdroj c.1, zdroj c.2 . . . . . . . . . . XV ˇ A.15 Sum obvodu se stabilizátory 7805 a 7812 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVI

ix

Seznam tabulek 3.1

Parametry pouˇzit´ ych souˇcástek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2

Popis mˇeˇren´ ych zdroj˚ u, kde byl testován vliv vstupn´ıch odpor˚ u . . . . . . 15

A.1 Popis mˇeˇren´ ych zdroj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II

A.2 Popis mˇeˇren´ ych zdroj˚ u s operaˇcn´ımi zesilovaˇci . . . . . . . . . . . . . . . . VI A.3 Popis mˇeˇren´ ych zdroj˚ u 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII

x

Kapitola 1 ´ Uvod Tato práce je zamˇeˇrena na návrh lineárn´ıch regulátor˚ u stejnosmˇerného napˇet´ı s velmi n´ızk´ ym ˇsumem, dále pak na porovnán´ı jednotliv´ ych konstrukc´ı regulátoru a vlivu jednotliv´ ych souˇca´st´ı na v´ ysledn´ y ˇsum regulátoru. Lineárn´ı regulátory stejnosmˇerného napˇet´ı s velmi n´ızk´ ym ˇsumem naleznou své uplatnˇen´ı ve speciáln´ıch aplikac´ıch, kde záleˇz´ı na ˇ minimalizaci ˇsumu vlastn´ıho napájec´ıho zdroje. Napˇr´ıklad v systému pro testován´ı A/C pˇrevodn´ıku s vysok´ ym rozliˇsen´ım (vlivem ˇsumu by doˇslo ke zmenˇsen´ı efektivn´ıho poˇctu vyuˇziteln´ ych bit˚ u pˇrevodn´ıku), napájen´ı speciáln´ıch generátor˚ u od nichˇz je vyˇzadován velk´ y odstup uˇziteˇcného signálu od ˇsumu nebo tˇreba v audiotechnice a v mnoh´ ych dalˇs´ıch aplikac´ıch.

1

Kapitola 2 Teoretick´ aˇ c´ ast 2.1

Rozdˇ elen´ı line´ arn´ıch regul´ ator˚ u ss napˇ et´ı z hlediska konstrukce

Lineárn´ı regulátory (stabilizátory) stejnosmˇerného napˇet´ı s aktivn´ımi prvky lze podle zapojen´ı akˇcn´ıho ˇclenu rozdˇelit na dva základn´ı typy. V prvn´ım typu zapojen´ı je zaˇrazen akˇcn´ı ˇclen do série se zátˇeˇz´ı, tento typ zapojen´ı se naz´ yvá sériov´ y regulátor stejnosmˇerného napˇet´ı. V druhém typu zapojen´ı je akˇcn´ı ˇclen zapojen do série s pomocn´ ym rezistorem R, se kter´ ym dohromady tvoˇr´ı dˇeliˇc napˇet´ı. V´ ystupn´ı napˇet´ı je pak odeb´ıráno paralelnˇe z akˇcn´ıho ˇclenu. Tento typ se naz´ yvá paraleln´ı regulátor stejnosmˇerného napˇet´ı. Paraleln´ı zapojen´ı regulátoru je uˇz z principu odolné v˚ uˇci zkratu, ale má velmi malou u ´ˇcinnost oproti sériovému zapojen´ı. Veˇskerá zapojen´ı lineárn´ıch regulátor˚ u, která byla realizována jsou na principu sériového zapojen´ı regulátoru napˇet´ı. Princip funkce regulátoru napˇet´ı. Stabilizované napˇet´ı U2 (viz. obrázky 2.1, 2.2) se z v´ ystupu zdroje pˇrivád´ı pˇres mˇeˇric´ı ˇclen, kde se upravuje jeho hodnota na poˇzadovanou u ´roveˇ n a dále se upravené napˇet´ı z mˇeˇric´ıho ˇclenu pˇrivád´ı na jeden ze dvou vstup˚ u porovnávac´ıho obvodu. Do druhého vstupu porovnávac´ıho obvodu je pˇripojeno referenˇcn´ı napˇet´ı, které je z´ıskáváno z referenˇcn´ıho zdroje. Odchylka napˇet´ı U2 od referenˇcn´ıho napˇet´ı je z porovnávac´ıho obvodu pˇrivedena na vstup obvodu zesilovaˇce odchylky, kde je dále zes´ılena. Zes´ılená hodnota odchylky je zavedena na vstup akˇcn´ıho ˇclenu. Odchylka p˚ usob´ı na akˇcn´ı ˇclen takov´ ym zp˚ usobem, ˇze mˇen´ı velikost jeho odporu, aby doˇslo k opaˇcnému p˚ usoben´ı proti zmˇenˇe, kterou byla odchylka vyvolána. Pokud je napˇet´ı U2 vˇetˇs´ı neˇz referenˇcn´ı dojde ke zvˇetˇsen´ı hodnoty odporu akˇcn´ıho ˇclenu, pokud je napˇet´ı U2 menˇs´ı neˇz referenˇcn´ı napˇet´ı dojde ke zmenˇsen´ı hodnoty odporu akˇcn´ıho ˇclenu. Obvod se snaˇz´ı udrˇzovat nulovou odchylku v´ ystupn´ıho napˇet´ı U2 od referenˇcn´ıho napˇet´ı. 2

´ C ˇ AST ´ KAPITOLA 2. TEORETICKA

3

Obrázek 2.1: Princip sériového regulátoru napˇet´ı

Obrázek 2.2: Princip paraleln´ıho regulátoru napˇet´ı


2.1.1

S´ eriov´ e zapojen´ı line´ arn´ıho regul´ atoru napˇ et´ı

2.1.1.1

Referenˇ cn´ı zdroj

4

Referenˇcn´ı zdroj slouˇz´ı k vytvoˇren´ı referenˇcn´ıho napˇet´ı. Hlavn´ım poˇzadavkem kladen´ ym na referenˇcn´ı zdroj je, aby mˇel co nejmenˇs´ı ˇsum a dále pak stabilita referenˇcn´ıho napˇet´ı j´ım generovaného. Za referenˇcn´ım zdrojem následuje jeˇstˇe dˇeliˇc napˇet´ı, pomoc´ı kterého se nastavuje poˇzadované v´ ystupn´ı napˇet´ı zdroje. Dˇeliˇc slouˇz´ı zároveˇ n i jako filtr pro dalˇs´ı potlaˇcen´ı ˇsumu samotného referenˇcn´ıho zdroje. Na v´ ybˇeru typu referenˇcn´ıho zdroje závis´ı m´ıra kvality celého obvodu. 2.1.1.2

Mˇ eˇ ric´ı ˇ clen

Slouˇz´ı k mˇeˇren´ı okamˇzité hodnoty v´ ystupn´ıho napˇet´ı. V praktické realizaci obvodu je usobit velikost v´ ystupn´ıho napˇet´ı U2 tvoˇren odporov´ ym dˇeliˇcem, kter´ y má za u ´kol pˇrizp˚ na poˇzadovanou u ´roveˇ n potˇrebnou pro porovnávac´ı obvod. 2.1.1.3

Porovn´ avac´ı obvod

V porovnávac´ım obvodu jsou porovnávána dvˇe napˇet´ı a to napˇet´ı referenˇcn´ı s napˇet´ım z v´ ystupu mˇeˇric´ıho ˇclenu. V´ ystupem z porovnávac´ıho obvodu je hodnota odchylky od poˇzadované hodnoty. Hodnota odchylky m˚ uˇze b´ yt záporná, nulová nebo kladná. 2.1.1.4

Zesilovaˇ c odchylky

ˇ ım vˇetˇs´ı Zesilovaˇc odchylky slouˇz´ı k zes´ılen´ı velikosti odchylky z porovnávac´ıho obvodu . C´ je jeho zes´ılen´ı, t´ım kvalitnˇejˇs´ı je v´ ystupn´ı napˇet´ı, co se t´ yˇce jeho zmˇen pˇri pˇripojen´ı zátˇeˇze, nebo zmˇen vstupn´ıho napˇet´ı. Zes´ılen´ı zesilovaˇce urˇcuje velikost v´ ystupn´ıho odporu stabilizátoru. Má-li zesilovaˇc velké zes´ılen´ı je nutné ˇreˇsit otázku stability uzavˇrené zpˇetné vazby. V praktické realizaci je pak porovnávac´ı obvod a zesilovaˇc odchylky realizován rozd´ılov´ ym zesilovaˇcem, kter´ y m˚ uˇze b´ yt postaven z operaˇcn´ıho zesilovaˇce nebo z tranzistor˚ u. Jedná se o nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı obvod celého zdroje hned po preferenˇcn´ım zdroji. Na jeho parametrech závis´ı kvalita v´ ystupn´ıho napˇet´ı, tj. závislost napˇet´ı v´ ystupn´ıho pˇri zmˇenˇe napˇet´ı vstupn´ıho a dále pak odchylka v´ ystupn´ıho napˇet´ı od poˇzadované velikosti vlivem zmˇeny odeb´ıraného proudu zátˇeˇz´ı. D˚ uleˇzit´ y je i samotn´ y ˇsum zesilovaˇce. Mus´ı b´ yt co nejmenˇs´ı, aby co nejménˇe ovlivˇ noval cel´ y obvod.

´ C ˇ AST ´ KAPITOLA 2. TEORETICKA 2.1.1.5

5

Akˇ cn´ı ˇ clen

Je tvoˇren v´ ykonov´ ym tranzistorem, kter´ y mus´ı b´ yt dostateˇcnˇe dimenzován( napˇet’ovˇe, proudovˇe a z hlediska maximáln´ı v´ ykonové ztráty).Na akˇcn´ım ˇclenu vzniká rozd´ıl napˇet´ı ystupem regulátoru U2 , z toho vypl´ yvá dimenzován´ı akˇcn´ıho ˇclenu mezi vstupem U1 a v´ z hlediska maximáln´ıho ztrátového v´ ykonu, kter´ y je dán souˇcinem rozd´ılu napˇet´ı mezi vstupem a v´ ystupem a j´ım protékaného proudu. D˚ uleˇzité je také dostateˇcné chlazen´ı akˇcn´ıho ˇclenu, tj. zabezpeˇcit odvod ztrátového tepla, které akˇcn´ı ˇclen produkuje(disipuje). V´ ykonov´ y ˇclen m˚ uˇze b´ yt zapojen u sériového regulátoru napˇet´ı jako zapojen´ı se spoleˇcn´ ym kolektorem viz. obrázek 2.3, nebo se spoleˇcn´ ym emitorem viz. obrázek 2.4.

Obrázek 2.3: Zapojen´ı se spoleˇcn´ ym kolektorem

Obrázek 2.4: Zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem


2.2

6

ˇ Sum

2.2.1

Zdroje ˇ sumu

2.2.1.1

Tepeln´ yˇ sum

Pˇr´ıˇcinou vzniku tepelného ˇsumu je teplotn´ı pohyb nosiˇc˚ u náboje v rezistoru s odporem R, tento pohyb nosiˇc˚ u náboje vede ke vzniku ˇsumového elektromotorického napˇet´ı 1 uΘ na jeho svorkách. [2] u2Θ = 4 · k · Θ · B · R

(2.1)

• u2Θ je kvadrát stˇredn´ı hodnoty ˇsumového napˇet´ı • k boltzmanova konstanta k = 1, 38 · 10−23 [J/K] • Θ absolutn´ı teplota [K] • B efektivn´ı ˇs´ıˇrka frekvenˇcn´ıho pásma, ve které je napˇet´ı indikováno • R velikost ohmického odporu v [Ω] 2.2.1.2

V´ ystˇ relov´ yˇ sum

V´ ystˇrelov´ y ˇsum vzniká nerovnomˇern´ ym uvolˇ nován´ım nosiˇc˚ u náboje v PN pˇrechodu. Stˇredn´ı hodnota kvadrátu proudu i2n v´ ystˇrelového ˇsumu závis´ı pouze na protékaj´ıc´ım proudu I a ˇs´ıˇrce pásma B. [2] i2n = 2 · e · I · B

(2.2)

ystˇrelového ˇsumu • i2n je stˇredn´ı hodnota kvadrátu proudu v´ • e náboj elektronu e = 1, 602 · 10−19 [C] • I protékaj´ıc´ı proud v [A] • B efektivn´ı ˇs´ıˇrka frekvenˇcn´ıho pásma, ve které je napˇet´ı indikováno 1

Elektromotorické napˇet´ı je veliˇcina, kter´ a vyjadˇruje schopnost zdroje elektrického proudu pˇren´ aˇset

uzavˇren´ ym obvodem elektrick´ y n´ aboj.


7

Partitivn´ı ˇ sum

ˇ Partitivn´ı ˇsum souvis´ı s náhodn´ ym rozdˇelen´ım proudu mezi dvˇema obvody. Sum tohoto p˚ uvodu je pˇr´ıtomen u bipolárn´ıch tranzistor˚ u, kde nosiˇce injekované z emitoru mohou s pravdˇepodobnost´ı λ rekombinovat v bázi, kdeˇzto pravdˇepodobnost, ˇze dosáhnou kolektoru je 1 − λ.[1] 2.2.1.4

ˇ Sum typu 1/f

ˇ Sum typu 1/f se uplatˇ nuje na n´ızk´ ych kmitoˇctech u vˇetˇsiny aktivn´ıch souˇca´stek, jeho velikost nepˇr´ımo závis´ı na kmitoˇctu. Tento typ ˇsumu vzniká vlivem zachycován´ı nosiˇc˚ u pastmi leˇz´ıc´ımi v oxidové vrstvˇe pobl´ıˇz povrchu polovodiˇce.[1] 2.2.1.5

Praskav´ yˇ sum

Praskav´ y ˇsum vzniká zejména v pˇrechodu báze emitor a je zp˚ usoben zneˇciˇstˇen´ım oblasti y jev a proto se uplatˇ nuje zvláˇstˇe emitoru ionty tˇeˇzk´ ych kov˚ u. Jde pˇredevˇs´ım o proudov´ pˇri velk´ ych impedanc´ıch na vstupu operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u. [4]


2.2.2

ˇ Sumov´ e vlastnosti elektronick´ ych souˇ c´ astek

2.2.2.1

Pasivn´ı souˇ c´ astky

8

Rezistory U rezistor˚ u se projevuje jejich tepeln´ y ˇsum viz. kapitola 2.2.1.1 a dále pak proudov´ y ˇsum, kter´ y se nedá jednoznaˇcnˇe popsat vztahem, jeho velikost se dá pouze mˇeˇrit pomoc´ı speciáln´ıch mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj˚ u. Proudov´ y ˇsum závis´ı na pouˇzité v´ yrobn´ı technologii daného rezistoru. Vzniká vlivem nedokonalého spoje kontaktovac´ı ˇcepiˇcky rezistoru s odporov´ ym materiálem rezistoru. Pokud je ˇcepiˇcka na odporovou vrstvu rezistoru pouze nalisována, vznikaj´ı po obvodu takto nedokonalého spoje m´ısta s vˇetˇs´ı a menˇs´ı proudovou hustotou. Tato m´ısta se pak stávaj´ı zdroji proudového ˇsumu. Nejvˇetˇs´ı intenzity dosahuje protéká-li rezistorem stejnosmˇern´ y proud dále pak klesá s rostouc´ım kmitoˇctem. Jedinˇe dokonal´ y metalurgick´ y spoj dokáˇze tento typ ˇsumu odstranit. Proudov´ y ˇsum se nevyskytuje pouze u drátov´ ych rezistor˚ u, kde je odporov´ y drát pˇrivaˇren ke kontaktovac´ı ˇcepiˇcce viz. obrázek 2.5.

Obrázek 2.5: Drátov´ y rezistor

Pouˇzit´ı promˇenn´ ych rezistor˚ u v podobˇe trimr˚ u, potenciometr˚ u a jinak mechanicky nastaviteln´ ych je z hlediska ˇsumu nevhodné. Kapacitory Ideáln´ı kapacitor je bezˇsumov´ y. Pˇri uvaˇzován´ı komplexn´ı impedance je jej´ı reálná ˇcást ˇ zdrojem tepelného ˇsumu. Sum je dále ovlivnˇen technologick´ ym postupem v´ yroby a konstrukc´ı kondenzátoru.


9

Aktivn´ı souˇ c´ astky

Bipol´ arn´ı tranzistory Celkov´ y ˇsum bipolárn´ıho tranzistoru je sloˇzen z nˇekolika nezávisl´ıch zdroj˚ u ˇsumu viz.[1] a [2]. • Tepeln´ yˇ sum. Na ˇcinn´ ych odporech tranzistoru vzniká tepeln´ y ˇsum mimo vnitˇrn´ı oblasti PN pˇrechodu. Stˇredn´ı hodnota kvadrátu ˇsumového napˇet´ı je rovna viz. vztah 2.3. Odpor báze rb tranzistoru je nejvetˇsim zdrojem tepelného ˇsumu. u2Θ = 4 · k · Θ · B · rb

(2.3)

– u2Θ je kvadrát stˇredn´ı hodnoty ˇsumového napˇet´ı – k boltzmanova konstanta k = 1, 38 · 10−23 [J/K] – Θ absolutn´ı teplota v [K] – B efektivn´ı ˇs´ıˇrka frekvenˇcn´ıho pásma, ve které je napˇet´ı indikováno – rb velikost ohmického odporu báze v [Ω] • V´ ystˇ relov´ yˇ sum. Vzniká v obou pˇrechodech bipolárn´ıho tranzistoru(B-E a B-C). Popis vzniku v´ ystˇrelového ˇsumu viz. kapitola 2.2.1.2. i2nB = 2 · e · IB · B

(2.4)

i2nC = 2 · e · IC · B

(2.5)

– i2nB je stˇredn´ı hodnota kvadrátu proudu báze v´ ystˇrelového ˇsumu ystˇrelového ˇsumu – i2nC je stˇredn´ı hodnota kvadrátu proudu kolektoru v´ – e náboj elektronu e = 1, 602 · 10−19 [C] y proud báze v [A] – IB stejnosmˇern´ y proud kolektoru v [A] – IC stejnosmˇern´ – B efektivn´ı ˇs´ıˇrka frekvenˇcn´ıho pásma, ve které je napˇet´ı indikováno ˇ • Sum typu 1/f. Popis vzniku ˇsumu 1/f viz. kapitola 2.2.1.4. U vˇetˇsiny tranzistor˚ u se projevuje na kmitoˇctech niˇzˇs´ıch neˇz 1kHz. Amplituda ˇsumového napˇet´ı typu 1/f vzr˚ ustá s klesaj´ıc´ım kmitoˇctem.


10

V´ yrobci tranzistor˚ u uvádˇej´ı v katalogu ˇsumové vlastnosti tranzistoru pomoc´ı ˇsumového ˇ ˇc´ısla F. Sumov´ e ˇc´ıslo nen´ı konstanta. Závis´ı na pracovn´ım bodˇe tranzistoru, na vnitˇrn´ım

odporu zdroje signálu, na teplotˇe a na kmitoˇctu, pˇri nˇemˇz bylo mˇeˇreno viz. obrázek 2.6.

Obrázek 2.6: Závislost ˇsumového ˇc´ısla na frekvenci

ˇ Sumov´ e ˇc´ıslo je definováno dle [2] jako dvojit´ y pomˇer: F =

Psi Pni Pso Pno

(2.6)

• Psi v´ ykon signálu na vstupu • Pni v´ ykon ˇsumu na vstupu • Pso v´ ykon signálu na v´ ystupu • Pno v´ ykon ˇsumu na v´ ystupu Operaˇ cn´ı zesilovaˇ ce U operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u závis´ı vlastnosti na parametrech tranzistor˚ u pouˇzit´ ych ve vstupn´ım obvodu. Na trhu jsou k dostán´ı speciáln´ı typy tzv. n´ızkoˇsumove operaˇcn´ı zesilovaˇce, které se sv´ ymi parametry pˇribliˇzuj´ı diskrétn´ım tranzistor˚ um.

Kapitola 3 Praktick´ aˇ c´ ast Na trhu bohuˇzel nejsou bˇeˇznˇe k dostán´ı tyto speciáln´ı regulátory stejnosmˇerného napˇet´ı s velmi n´ızk´ ym ˇsumem. Obyˇcejné velkosériovˇe vyrábˇené tˇr´ısvorkové stabilizátory (ˇrady 78xx) a r˚ uzné dalˇs´ı jim podobné produkty, nejsou schopné vyhovˇet velmi nároˇcn´ ym poˇzadavk˚ um z hlediska minimalizace ˇsumu. Samotn´ y v´ ybˇer pouˇziteln´ ych souˇca´stek na konstrukci lineárn´ıch regulátoru stejnosmˇerného napˇet´ı byl velmi obt´ıˇzn´ y. Ani renomovan´ı v´ yrobci polovodiˇcov´ ych a pasivn´ıch souˇca´stek u nˇekter´ ych typ˚ u souˇca´stek vlastn´ı ˇsum v˚ ubec nedefinuj´ı a nebo vlivem velkého rozptylu v´ yrobn´ı technologie to ani nelze. Kaˇzdou pouˇzitou souˇca´stku v obvodu zdroje je potˇreba testovat na ˇsum. Nic nen´ı dokonalé a ani souˇca´stky sebelepˇs´ıch parametr˚ u nejsou vˇzdy bez vad. A to i tehdy projdou-li yrobn´ı kontrolu, protoˇze nen´ı v moˇznostech v´ yrobce testovat vˇsechny parametry pˇres v´ souˇcástek a ne kaˇzd´ y odbˇeratel má takové nároky na ˇsumové parametry souˇca´stek. Veˇskeré zkonstruované zdroje byly realizovány s v´ ystupn´ım napˇet´ım 12V a byly zat´ıˇzeny zátˇeˇz´ı 47Ω, aby bylo moˇzné jednotlivé konstrukce mezi sebou navzájem porovnat z hlediska ˇsumu. Dalˇs´ı zaj´ımavá realizovaná zapojen´ı jsou vˇcetnˇe schémat a graf˚ u v pˇr´ıloze A, kde je jejich vzájemné porovnán´ı. Celkovˇe bylo realizováno v´ıce jak 30 r˚ uzn´ ych zdroj˚ u, u kter´ ych se testovalo nastaven´ı pracovn´ıho bodu rozd´ılového zesilovaˇce a pouˇzit´ı r˚ uzn´ ych napˇet’ov´ ych referenc´ı. Dále byly testovány na velikost ˇsumu pr˚ umyslovˇe vyrábˇené integrované stabilizátory typu 7812, 7805, LM317.

11

´ C ˇ AST ´ KAPITOLA 3. PRAKTICKA

3.1

12

Zapojen´ı zdroje

Na obrázku 3.1 je uvedeno schéma zapojen´ı koneˇcné verze lineárn´ıho regulátoru stejnosmˇerného napˇet´ı, které vykazovalo ze vˇsech realizovan´ ych obvod˚ u nejmenˇs´ı ˇsum. V tabulce 3.1 je seznam s typy a parametry jednotliv´ ych pouˇzit´ ych souˇca´stek. Zdroj byl napájen z baterie, aby se sn´ıˇzilo ruˇsen´ı v podobˇe s´ıt’ového kmitoˇctu a jeho násobk˚ u superponovan´ ych na v´ ystupn´ı napˇet´ı.

Obrázek 3.1: Schéma zapojen´ı zdroje s tranzistorem SSM2210


13

Popis R1

220Ω, drátov´ y, typ G202

R2


R3


R4


R5


R6


R7


R8


C1

1000μF/25V, elektrolytick´ y

C2

9900μF/25V, 3*3300 μF/25V paralelnˇe, elektrolytick´ y

C3

4700μF/25V + 3300mF/25V, elektrolytick´ y

Q1

SSM2210, jedna polovina

Q2

SSM2210, jedna polovina

Q3

2SB772

REF LT1021CCN8-10 Tabulka 3.1: Parametry pouˇzit´ ych souˇca´stek

3.1.1

Referenˇ cn´ı zdroj

Bˇehem pokus˚ u bylo zkouˇseno nˇekolik druh˚ u napˇet’ov´ ych referenc´ı od r˚ uzn´ ych v´ yrobc˚ u s r˚ uzn´ ymi referenˇcn´ımi napˇet´ımi(TL431, REF01, REF02, REF5010, LT1019, LT1021), nakonec byla vybrána reference LT1021CCN8-10. Z´ıskané napˇet´ı z napˇet’ové reference je potˇreba dále filtrovat a upravit na poˇzadovanou u ´roveˇ n. Dˇeje se tak pomoc´ı dˇeliˇce a u C1 , C2 . zároveˇ n filtru typu doln´ı propust sloˇzeného z rezistor˚ u R1 , R2 , R3 a kondenzátor˚ y Kondenzátory C1 , C2 jsou elektrolytické kondenzátory, mˇeli by m´ıt co nejmenˇs´ı sériov´ vnitˇrn´ı odpor(low ESR). Velikost kapacity kondenzátoru C1 je 1000μF, kondenzátor C2 je tvoˇren tˇremi kondenzátory 3300μF paralelnˇe zapojen´ ymi. Celková velikost kapacity ˇ ım vˇetˇs´ı bude kapacita kondenzátoru C2 t´ım déle bude kondenzátoru C2 je 9900μF. C´ trvat neˇz ”nabˇehne” zdroj, ale také bude v´ıce potlaˇcen ˇsum. Zároveˇ n tento dˇeliˇc tvoˇr´ı vstupn´ı odpor do báze tranzistoru Q1 . Na obrázku 3.2 je znázornˇen ˇsum napˇet’ové reference LT1021CCN8-10. Referenˇcn´ı napˇet´ı bylo dˇeliˇcem upraveno na hodnotu 8V, které je na rezistoru R3 .


14

ˇ Obrázek 3.2: Sum napˇet’ové reference LT1021CCN8-10

3.1.2

Rozd´ılov´ y zesilovaˇ c

V prvn´ı sestaven´ ych vzorc´ıch zdroj˚ u byl pouˇzit jako rozd´ılov´ y zesilovaˇc operaˇcn´ı zesilovaˇc, ale bˇehem dalˇs´ıho zkoumán´ı a pokus˚ u s r˚ uzn´ ymi operaˇcn´ımi zesilovaˇci od r˚ uzn´ ych v´ yrobc˚ u se ukázalo nakonec, ˇze lepˇs´ı vlastnosti co se t´ yˇce ˇsumu má rozd´ılov´ y zesilovaˇc realizovan´ y z tranzistor˚ u (”ˇc´ım v´ıce tranzistor˚ u t´ım to v´ıce ˇsum´ı”). Pro konstrukci rozd´ılového zesilovaˇce byly nejdˇr´ıve pouˇzity tranzistory, které nebyly um´ıstˇeny na jednom substrátu, ale tento zp˚ usob realizace nevykazoval dobré v´ ysledky. Následnˇe byl pouˇzit dvojit´ y tranzistor KC810 z produkce b´ yvalého podniku TESLA, kde jiˇz jsou um´ıstˇeny oba tranzistory na jednom substrátu. Po nˇekolika mˇeˇren´ıch ˇsumu bylo zjiˇstˇeno, ˇze zapojen´ı s t´ımto ”velmi star´ ym” tranzistorem vykazuje o nˇeco lepˇs´ı ˇsumové vlastnosti neˇzli velmi kvalitn´ı a drah´ y operaˇcn´ı zesilovaˇc AD797. Po delˇs´ı dobˇe, kdy se povedlo sehnat velmi kvalitn´ı tranzistory typu SSM2210, SSM2220 a MAT03. Ve kter´ ych jsou v jednom pouzdru um´ıstˇeny dva tranzistory na jednom substrátu obdobnˇe jako u KC810, bylo moˇzné posunout hladinu generovaného ˇsumu opˇet o nˇekolik nV n´ıˇze. D˚ uleˇzit´ ym parametrem je vstupn´ı odpor


15

do báze tranzistoru Q1 a Q2 z charakteristik na obrázku 3.4 je patrno, ˇze ˇc´ım menˇs´ı bude vstupn´ı odpor, t´ım niˇzˇs´ı bude u ´roveˇ n ˇsumu tranzistoru. Pˇri realizaci obvodu jsem vyzkouˇsel nˇekolik kombinac´ı hodnot rezistor˚ u v dˇeliˇci tvoˇreném rezistory R1 , R2 , R3 a u. druhém dˇeliˇci tvoˇreném rezistory R7 , R8 . V tabulce 3.2 jsou popsány dvˇe varianty zdroj˚ Zdroj c.1 ˇsumˇel v´ıce neˇzli zdroj c.2 jak je patrné z namˇeˇren´ ych hodnot ˇsumu, které jsou vyneseny do grafu na obrázku 3.7. Velikost vstupn´ıho odporu tranzistoru Q1 je limitována maximáln´ım proudem, kter´ y je schopna dodat pouˇzitá napˇet’ová reference. Velikost vstupn´ıho odporu do báze tranzistoru Q2 je moˇzné mˇenit ve vˇetˇs´ım rozsahu, protoˇze uˇz nen´ı velikost proudu, kter´ y protéká dˇeliˇcem z rezistor˚ u R7 a R8 limitován napˇet’ovou referenc´ı, ale pouze maximáln´ı velikosti proudu, kterou je schopen dát samotn´ y zdroj. Ale vzhledem k tomu, ˇze v´ ystupn´ı odpor zdroje dosahuje hodnot v ˇra´du desetin aˇz setin ohmu oproti referenˇcn´ımu zdroji, nemˇelo zmenˇsen´ı vstupn´ıho odporu do báze tranzistoru Q2 na u ´roveˇ n ˇsumu skoro ˇzádn´ y vliv. Dalˇs´ım parametrem ovlivˇ nuj´ıc´ı ˇsum tranzistoru je velikost kolektorového proudu. Tato závislost je vidˇet na obrázku 3.3. Pracovn´ı bod rozd´ılového zesilovaˇce je nastaven pomoc´ı rezistoru R6 . Napˇet´ı na rezistoru R6 je rovno napˇet´ı na ych proud˚ u tranzistor˚ u rezistoru R3 m´ınus napˇet´ı Ube tranzistoru Q1 . Velikost kolektorov´ ystupn´ıho proudu zdroje Q1 a Q2 se vol´ı podle velikosti maximáln´ıho poˇzadovaného v´ dˇeleného proudov´ ym zesilovac´ım ˇcinitelem v´ ykonového tranzistoru Q3 .

vstupn´ı odpor do b´ aze Q1 zdroj c.1 R1 =1200Ω, R2 =1200Ω, R3 10Ω

vstupn´ı odpor do b´ aze Q2 R7 =1000Ω, R8 =2000Ω

zdroj c.2 R1 =220Ω, R2 =220Ω, R3 =1800Ω R7 =100Ω, R8 =200Ω Tabulka 3.2: Popis mˇeˇren´ ych zdroj˚ u, kde byl testován vliv vstupn´ıch odpor˚ u


Obrázek 3.3: Vliv velikosti kolektorového proudu na ˇsum u tranzistoru SSM2210

Obrázek 3.4: Vliv velikosti vstupn´ıho odporu na ˇsum u tranzistoru SSM2210

16


3.1.3

17

Akˇ cn´ı ˇ clen

Akˇcn´ı ˇclen je moˇzné zapojit dvˇema zp˚ usoby jak bylo popsáno viz. kapitola 2.1.1.5. Nejprve bylo testováno zapojen´ı se spoleˇcn´ ym kolektorem(emitorov´ y sledovaˇc). Nev´ yhodou tohoto zapojen´ı je velk´ yu ´bytek napˇet´ı na v´ ykonovém tranzistoru a problémy se stabilitou. Dalˇs´ı moˇznost´ı je zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem. U tohoto typu zapojen´ı je velmi mal´ yu ´bytek napˇet´ı na v´ ykonovém tranzistoru, zároveˇ n je v tomto zapojen´ı omezen maximáln´ı v´ ystupn´ı proud. Zapojen´ı se spoleˇcn´ ym kolektorem mus´ı b´ yt doplnˇeno o proudovou pojistku, která chrán´ı obvod pˇred poˇskozen´ım vlivem nadmˇerného proudu. Jako v´ ykonov´ y tranzistor byl pouˇzit typ 2SB772.

3.1.4

Mˇ eˇ ric´ı ˇ clen

Mˇeˇric´ı ˇclen je ve schématu na obrázku 3.1 tvoˇren rezistory R7 a R8 . Pˇri pokusech bylo zjiˇstˇeno, ˇze pokud je pomˇer rezistor˚ u R7 :R8 v mˇeˇric´ım ˇclenu menˇs´ı neˇz 1:2 docház´ı k nestabilitˇe obvodu a vzniku oscilac´ı, z toho pak vypl´ıvá jak volit velikost referenˇcn´ıho napˇet´ı. U tohoto zapojen´ı bylo zvoleno referenˇcn´ı napˇet´ı 8V.

3.1.5

Ostatn´ı souˇ c´ astky

Pˇri experimentech s velikost´ı kapacity kondenzátoru C3 na v´ ystupu zdroje se u ´roveˇ n ˇsumu znatelnˇe nemˇenila. Je to zp˚ usobeno velmi mal´ ym vnitˇr´ım odporem zdroje Ri ˇra´du desey vliv na potlaˇcen´ı ˇsumu na n´ızk´ ych tin aˇz setin ohmu. Aby mˇel kondenzátor C3 nˇejak´ kmitoˇctech musela by jeho velikost kapacity b´ yt velmi velká ˇra´du stovek milifarad˚ u, protoˇze ˇcasová konstanta τ = C3 · Ri [s], ze které se vypoˇc´ıtá zlomová frekvence filtru typu doln´ı propust, na které nastává pokles amplitudové frekvenˇcn´ı charakteristiky o 3dB je rovna fm =

1 2·π·τ

[Hz]. Takto obrovská kapacita by se ˇspatnˇe realizovala uˇz jenom d´ıky

velk´ ym rozmˇer˚ um kondenzátoru dále by se mohli zaˇc´ıt projevovat parazitn´ı vlastnosti v n jako zásobn´ık podobˇe indukˇcnosti a svodov´ ych proud˚ u. Kondenzátor C3 slouˇz´ı zároveˇ energie pro vykryt´ı proudov´ ych ˇspiˇcek. Jeˇstˇe je dobré do série s regulátorem zapojit rezistor, kter´ y omez´ı proudov´ y náraz pˇri pˇripojen´ı k baterii. Pˇri pokusech byl pouˇzit v´ ykonov´ y drátov´ y rezistor s hodnotou odporu 10Ω s v´ ykonovou ztrátou 10W. Bez tohoto omezen´ı proudu docház´ı k poˇskozen´ı ym zesilovaˇcem z v´ ykonového tranzistoru Q3 , nebo pokud byl obvod realizován s rozd´ılov´ operaˇcn´ıho zesilovaˇce, doˇslo k destrukci operaˇcn´ıho zesilovaˇce.


V/√Hz

ˇ Obrázek 3.5: Sum zdroje, kter´ y je zapojen podle schématu viz. obrázek 3.1

0

−8

10

10

−7

100

200

300

400

500

600

700

800 f[Hz]

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

SSM2210

1600

18


0

−8

10

−7

10

−6

10

10

−5

100

200

300

400

500

600

700

800 f[Hz]

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

SSM2210 7812

1600

19

V/√Hz

Obrázek 3.6: Porovnán´ı ˇsumu integrovaného stabilizátoru 7812(zdroj c.6 v tabulce A.3) zapojeného viz. obrázek A.12 se zapojen´ım zdroje viz. obrázek 3.1


Obrázek 3.7: Vliv vstupn´ıho odporu do báz´ı tranzistor˚ u Q1 a Q2

0

−8

10

10

V/√Hz

−7

100

200

300

400

500

600

700

800 f[Hz]

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Zdroj c.1 Zdroj c.2

1600

20


3.2

21

Mˇ eˇ ren´ı ˇ sumu

Mˇeˇren´ı ˇsumu bylo provádˇeno pomoc´ı spektráln´ıho analyzátor HP35670A. Blokové schéma pro mˇeˇren´ı je na obrázku 3.8. Stejnosmˇerná sloˇzka byla oddˇelena pomoci obvodu viz. obrázek 3.9. Dále byl pouˇzit speciáln´ı mˇeˇric´ı transformátor s pˇrevodem 1:100(transformer preamplifier Stanford Research system SR554). Mˇeˇren´ y lineárn´ı regulátor ss napˇet´ı byl um´ıstˇen v kovové krabici, která byla propojena se zemn´ıc´ı svorkou spektráln´ıho analyzátoru, aby bylo moˇzné aspoˇ n z ˇcásti odst´ınit vnˇejˇs´ı ruˇsen´ı, byl napájen z baterie, která byla rovnˇeˇz um´ıstˇena ve st´ın´ıc´ı kovové krabici. Namˇeˇrená data ze spektráln´ıho analyzátoru byla pak ve formˇe textového souboru pˇrenesena do programu Matalb, kde byla dále zpracována. Na spektráln´ım analyzátoru byla nastavena ˇs´ıˇrka pásma 1Hz, rozsah analyzovaného kmitoˇctového pásma od 0Hz do 1600Hz. Pˇri kaˇzdém mˇeˇren´ı bylo provedeno pr˚ umˇerován´ı z deseti odmˇer˚ u.

Obrázek 3.8: Blokové schéma mˇeˇric´ıho ˇretˇezce

Obrázek 3.9: Oddˇelˇen´ı stejnosmˇerné sloˇzky, R1 =150 Ω, Rz =47 Ω, C=4700 μF


Obrázek 3.10: Spektráln´ı analyzátor

22

Kapitola 4 Z´ avˇ er Realizované zapojen´ı lineárn´ıho regulátoru stejnosmˇerného napˇet´ı vykazuje v´ yraznˇe lepˇs´ı ˇsumové vlastnosti neˇz monolitické integrované stabilizátory napˇet´ı typu 7812, 7805 a LM317. Zapojen´ı bylo testováno pˇri napájen´ı speciáln´ıho generátoru s velmi velk´ ym odstupem signál ˇsum. Rozd´ıl pˇri napájen´ı z baterie a z realizovaného regulátoru napˇet´ı co se t´ yˇce ˇsumu byl zanedbateln´ y. Ze zaˇcátku zkoumán´ı lineárn´ıch regulátor˚ u stejnosmˇerného napˇet´ı s n´ızk´ ym ˇsumem to vypadalo, ˇze nebude obt´ıˇzné takov´ y regulátor navrhnout a sestavit. Pˇri simulac´ıch v programech Micro Cap a WinSpice vˇse fungovalo, ovˇsem pˇri praktické realizaci regulátoru docházelo k rozkmitán´ı nebo napˇet´ı na v´ ystupu regulátoru nebylo stabiln´ı a pˇri zat´ıˇzen´ı klesalo. U nˇekolika konstrukc´ı regulátor fungoval jen pokud nebyl zat´ıˇzen a nebo do urˇcité velikosti zatˇeˇzovac´ıho proudu. Objevily se i opaˇcné problémy, regulátor byl stabiln´ı jen pokud byl zat´ıˇzen a naprázdno kmital. Na celkov´ y v´ ysledek snaˇzen´ı o zkonstruován´ı funkˇcn´ıho regulátoru p˚ usob´ı mnoho vliv˚ u. Ukázala se platnost dvou vˇet a to, ˇze teorie bez praxe a praxe bez teorie se navzájem bez sebe neobejdou a také ta, ˇze s poˇctem spálen´ ych souˇca´stek rostou pˇr´ımo u ´mˇernˇe zkuˇsenosti.

23

Literatura ˇ [1] Zalud, V. a Kuleˇ sov, V.N. Polovodiˇcové obvody s malým ˇsumem. SNTL, Praha 1980. ˇ [2] Papeˇ z, V. Technologie elektrotechnických souˇca´stek, Cviˇcen´ı. CVUT, Praha 1992 ´tko, M. Navrhov´ [3] Syrova an´ı nap´ ajec´ıch zdroj˚ u pro elektroniku. SNTL, Praha 1977 ˇocha ´r ˇ, J. Operaˇcn´ı zesilovaˇce v elektronice. Tˇret´ı vydán´ı BEN technická [4] Punc literatura, Praha 1997 ˇ ıslicové mˇeˇric´ı systémy. Monografie CVUT, ˇ ˇil, J.,Nova ´k, J. C´ [5] Haasz, V.,Roztoc Praha 2000 ˇil, J. a kol. Ovˇeˇren´ı metrologických vlastnost´ı systému pro testov´ [6] Roztoc an´ı ˇ pˇrevodn´ık˚ u s rozliˇsen´ım 12 aˇz 20 bit˚ u. Závˇereˇcná zpráva rychlých AC u a modul˚ ˇ u ´kolu RM 2007 ˇc. VIII/1/7. CVUT FEL, Praha 2007 [7] Firemn´ı literatura Analog Device, Linear technology, Burr-Brown. [8] Mallat, J. a Krofta, J. Stabilizované nap´ ajec´ı zdroje pro mikroelektroniku. SNTL, Praha 1985 ´, J. a Za ´hlava, V. Elektronika - souˇcástky a obvody, principy a pˇr´ıklady. [9] Vobecky Tˇret´ı rozˇs´ıˇrené vydán´ı Grada Publishing, Praha 2005. ˇ ´hlava, V. N´ [10] Za avrh a konstrukce desek ploˇsných spoju. CVUT, Praha 2005 [11] Analog Devices firemn´ı internetové str´ anky. http://analog.com. [12] Linear Technology firemn´ı internetové str´ anky. http://linear.com. ´, E. Elektronika. Druhé vydán´ı, SNTL, Praha 1981 [13] Mat’´ atko, J. a Foitova 24

LITERATURA ˇ ˇ, J. Elektronické a funkˇcn´ı bloky 1. CVUT, [14] Neumann, P. a Uhl´ır Praha 2005

25

Pˇ r´ıloha A Ostatn´ı realizovan´ a zapojen´ı V této pˇr´ıloze jsou uvedeny dalˇs´ı realizované obvody. Dále pak jejich porovnán´ı a vliv jednotliv´ ych souˇca´stek a zp˚ usobu jejich zapojen´ı na celkov´ y ˇsum obvodu.

A.1

Vliv emitorov´ eho sledovaˇ ce

Pˇri pokusech o zv´ yˇsen´ı v´ ystupn´ıho proudu stabilizátoru a zároveˇ n zmenˇsen´ı proudu, kter´ y protéká rozd´ılov´ ym zesilovaˇce jsem pouˇzil v zapojen´ı nav´ıc tranzistor Q3 viz. obrázek A.1. ym kolektorem(tzv. emitorov´ y sledovaˇc). Bohuˇzel Tranzistor Q3 je v zapojen´ı se spoleˇcn´ tento typ vylepˇsen´ı obvodu nen´ı nejlepˇs´ım ˇreˇsen´ım, docház´ı ke zvˇetˇsen´ı celkového ˇsumu obvodu. Zkouˇsel jsme nˇekolik typ˚ u tranzistor˚ u s n´ızk´ ym ˇsumem, ale i obyˇcejné(2SC1815, ´spˇechu, ˇsum se pˇr´ıliˇs ne2SC3199, 2SC2240, BD135) na m´ıstˇe tranzistoru Q3 , ale bez u zmenˇsil. Pˇri experimentech s tranzistorem Q3 se projevili problémy se stabilitou celého obvodu. Docházelo k rozkmitán´ı obvodu(objevili se i kmity s frekvenc´ı 100MHz s amplitudou 2V), po krátké dobˇe doˇslo k destrukci nˇekteré z ˇca´st´ı obvodu.

I

ˇ ÍLOHA A. OSTATNÍ REALIZOVANA ´ ZAPOJENÍ PR

II

Obrázek A.1: Schéma zapojen´ı zdroje se zv´ yˇsen´ ym v´ ystupn´ım proudem

Popis zdroj c.1 Q3 2SC1815, Zátˇeˇz 47Ω zdroj c.2 Q3 2SC3199, Zátˇeˇz 47Ω zdroj c.3 Q3 2SC2240, Zátˇeˇz 47Ω zdroj c.4 Q3 BD135 , Zátˇeˇz 47Ω Tabulka A.1: Popis mˇeˇren´ ych zdroj˚ u


10

−8

0

100

200

300

400

500

600

700

800 f[Hz]

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Zdroj c.1 Zdroj c.2 Zdroj c.3 Zdroj c.4

1600

III

V/√Hz

Obrázek A.2: Porovnán´ı nˇekolika typ˚ u tranzistor˚ u na m´ıstˇe tranzistoru Q3


A.2

IV

Paraleln´ı ˇ razen´ı tranzistor˚ u

V katalogovém listu firmy Analog Devices k tranzistoru SSM2210 je uvedeno zapojen´ı rozd´ılového zesilovaˇce, kde pro sn´ıˇzen´ı ˇsumu zesilovaˇce je ˇrazeno nˇekolik tranzistor˚ u paralelnˇe. Zkouˇsel jsem dát paralelnˇe nejprve dva pak tˇri a nakonec ˇctyˇri tranzistory. Na obrázku A.4 je uveden graf, kde je zobrazen v´ ysledek pokusu. Pokles u ´rovnˇe ˇsumu u ˇctyˇr tranzistor˚ u zapojen´ ych paralelnˇe oproti jednomu tranzistoru byl velmi mal´ y okolo 0,5nV. Paraleln´ı ˇrazen´ı se sp´ıˇse hod´ı pro audio aplikace. V oblasti od 0Hz do 1KHz se uplatˇ nuje ˇsum typu 1/f viz. kapitola 2.2.1.4.U tohoto zapojen´ı byla pouˇzita napˇet’ová reference REF5010 od firmy Texas Instruments.

Obrázek A.3: Zapojen´ı v´ıce tranzistor˚ u SSM2210 paralelnˇe


0

−8

10

10

−7

100

200

300

400

500

600

700

800 f[Hz]

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Zdroj c.1 Zdroj c.4

1600

V

V/√Hz

Obrázek A.4: Zapojen´ı v´ıce tranzistor˚ u SSM2210 paralelnˇe, zdroj c.1 jeden tranzistor SSM2210, zdroj c.4 ˇctyˇri tranzistory paralelnˇe


A.3

VI

Porovn´ an´ı obvod˚ u s operaˇ cn´ımi zesilovaˇ ci

V obchodech je nepˇreberné mnoˇzstv´ı operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u od r˚ uzn´ ych v´ yrobc˚ u a r˚ uzn´ ymi parametry. Otestoval jsme nˇekolik operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u. Poˇc´ınaje legendou LM741 aˇz po nejnovˇejˇs´ı typy LT1007 a AD797, kter´ y je podle katalogov´ ych u ´daj˚ u v´ yrobce nejlepˇs´ı co do velikosti ˇsumu z testovan´ ych operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u. V nˇekolika mˇeˇren´ıch byla m´ısto napˇet’ové reference pouˇzita baterie, aby bylo moˇzné porovnat vliv napˇet’ové reference na celkov´ y ˇsum obvodu. Z namˇeˇren´ ych hodnot vynesen´ ych do graf˚ u na obrázc´ıch A.8 a A.10 je vidˇet, ˇze u operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u LT1007 a OP27 nen´ı ˇza´dn´ y rozd´ıl mezi t´ım jestli se pouˇzije jako reference integrovan´ y obvod REF02(zdroj c.2 a zdroj c.3 viz. obrázek A.8) nebo baterie( zdroj c.8 a zdroj c.9 viz. obrázek A.10). Tyto operaˇcn´ı zesilovaˇce ˇsum´ı v´ıc neˇz reference REF02 sama o sobˇe. Nejlepˇs´ıch parametr˚ u z hlediska ˇsumu dosáhl operaˇcn´ı zesilovaˇc AD797, ˇskoda ˇze vlivem proudového nárazu doˇslo k poˇskozen´ı AD797, tak uˇz nebylo moˇzné udˇelat mˇeˇren´ı ˇsumu, kde by m´ısto napˇet’ové reference REF02 byl pouˇzita baterie. Podle parametr˚ u AD797 by mˇel ˇsum jeˇstˇe v´ıce poklesnout.

Typ OZ

Typ Reference

sch´ ema zapojen´ı

REF02

viz. obrázek A.6

zdroj c.2 OZ LT1007 REF02

viz. obrázek A.5

zdroj c.3 OZ OP27

REF02

viz. obrázek A.5

zdroj c.4 OZ LM741

LT1019CN8-5

viz. obrázek A.5

zdroj c.5 OZ LT1001 LT1019CN8-5

viz. obrázek A.5

zdroj c.6 OZ LT1007 LT1019CN8-5

viz. obrázek A.5

zdroj c.7 OZ TL081

baterie

viz. obrázek A.7

zdroj c.8 OZ LT1007 baterie

viz. obrázek A.7

zdroj c.9 OZ OP27

viz. obrázek A.7

zdroj c.1 OZ AD797

baterie

Tabulka A.2: Popis mˇeˇren´ ych zdroj˚ u s operaˇcn´ımi zesilovaˇci


VII

Obrázek A.5: Zapojen´ı s operaˇcn´ım zesilovaˇcem(zdroje c.2 aˇz c.5)

Obrázek A.6: Zapojen´ı s operaˇcn´ım zesilovaˇcem AD797 (zdroj c.1)


VIII

Obrázek A.7: Zapojen´ı s operaˇcn´ım zesilovaˇcem(zdroje c.7 aˇz c.9)


Obrázek A.8: Porovnán´ı OZ s referenc´ı REF02 viz. tabulka A.2

−9

10

−8

10

−7

10

10

V/√Hz

−6

0

100

200

300

400

500

600

700

800 f[Hz]

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Zdroj c.1 Zdroj c.2 Zdroj c.3

1600

IX


Obrázek A.9: Porovnán´ı OZ s referenc´ı LT1019CN8-5 viz. tabulka A.2

0

−7

10

10

V/√Hz

−6

100

200

300

400

500

600

700

800 f[Hz]

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500


1600

X


0

−7

10

10

V/√Hz

−6

100

200

300

400

500

600

700

800 f[Hz]

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500


1600

XI

Obrázek A.10: Porovnán´ı OZ, jako reference pouˇzita baterie viz. tabulka A.2


A.4

XII

Porovn´ an´ı tov´ arnˇ e vyr´ abˇ en´ ych stabiliz´ ator˚ u

U továrnˇe vyrábˇen´ ych stabilizátor˚ u jsem zkoumal vliv zátˇeˇze na ˇsum a dále pak zmˇenu ˇsumu po pˇripojen´ı elektrolytického kondenzátoru o kapacitˇe 3,3mF ve schématech na obrázc´ıch A.11, A.12, A.13 oznaˇcen jako kondenzátor C3 . Dioda 1N4007 chrán´ı integrované stabilizátory pˇred poˇskozen´ım pˇri odpojen´ı napájec´ıho napˇet´ı by jinak na v´ ystupu stabilizátoru bylo vˇetˇs´ı napˇet´ı neˇz na vstupu a doˇslo by k poˇskozen´ı stabilizátoru. Z namˇeˇren´ ych hodnot je patrné, ˇze LM317 ˇsum´ı nejv´ıce z testovyn´ ych integrovan´ ych stabilizátor˚ u. Zvˇetˇsen´ı kapacity na v´ ystupu nemˇelo ˇza´dn´ y vliv na ˇsum obvodu viz obrázek A.14. Obdobn´ y efekt mˇela zmˇena kapacity u integrovaného stabilizátoru 7812. U stabilizátoru 7812 jsem zkouˇsel jeˇstˇe vliv zmˇeny velikosti zátˇeˇze z 47Ω na 22Ω, zmˇena ˇsumu je opˇet neznatelná viz. obrázek A.15.

Popis zdroj c.1 LM317, Zátˇeˇz 47Ω, C3 odpojen zdroj c.2 LM317, Zátˇeˇz 47Ω, C3 pˇripojen zdroj c.3 7805, Zátˇeˇz 22Ω zdroj c.4 7812, Zátˇeˇz 22Ω, C3 odpojen zdroj c.5 7812, Zátˇeˇz 47Ω, C3 odpojen zdroj c.6 7812, Zátˇeˇz 47Ω, C3 pˇripojen Tabulka A.3: Popis mˇeˇren´ ych zdroj˚ u2


XIII

Obrázek A.11: Zapojen´ı stabilizátoru napˇet´ı 7805

Obrázek A.12: Zapojen´ı stabilizátoru napˇet´ı 7812


XIV

Obrázek A.13: Zapojen´ı stabilizátoru napˇet´ı LM317 s nastaven´ ym v´ ystupn´ım napˇet´ım pˇribliˇznˇe 12V


400 350 300 250 200 150 100 50 0

−6

10

−5

10

V/√Hz

ˇ Obrázek A.14: Sum obvodu se stabilizátorem LM317, zdroj c.1, zdroj c.2

f[Hz]

450

500

550

600

650

700

750

Zdroj c.1 Zdroj c.2

800

XV


400 350 300 250 200 150 100 50 0

−6

10

−5

10

V/√Hz

ˇ Obrázek A.15: Sum obvodu se stabilizátory 7805 a 7812

f[Hz]

450

500

550

600

650

700

750

Zdroj c.3 Zdroj c.4 Zdroj c.5 Zdroj c.6

800

XVI

Pˇ r´ıloha B Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD K této práci je pˇriloˇzeno CD, na kterém jsou uloˇzeny katalogové listy pouˇzit´ ych obvod˚ u. • Adresáˇr Datasheet: - SSM2210.pdf - Katalogov´ y list tranzistoru SSM2210. - LT1021CCN8-10.pdf - Katalogov´ y list napˇet’ové reference LT1021CCN8-10. - REF5010.pdf - Katalogov´ y list napˇet’ové reference REF5010. - REF02.pdf - Katalogov´ y list napˇet’ové reference REF02. - LT1019CN8-5.pdf - Katalogov´ y list napˇet’ové reference LT1019CN8-5. - 2SB773.pdf - Katalogov´ y list v´ ykonového tranzistoru 2SB772. - AD797.pdf - Katalogov´ y list operaˇcn´ıho zesilovaˇce AD797. - G202.pdf - Katalogov´ y list drátov´ ych rezistor˚ u typu G202 od firmy VISHAY. • Soubor Lineárn´ı regul´ ator ss napˇet´ı.pdf : Tento dokument.

XVII

Fakulta elektrotechnickёў

Recommend Documents