ARK SuperReg - 1uV Ultra düşük gütültülü regülatör

Sıra geldi ultra düşük gürültülü 3 pin bir regülatör tasarlamaya..

Şu aralar elektronik piyasasının en moda başlıklarından biri de ultra düşük gürültü regülatörler. Neredeyse her ay yeni bir model piyasaya sürülüyor. Üreticilerin hızına yetişmek mümkün değil. En son Texas Instrument TI TPS7A4700 'de kalmıştım ben. Geçen yıllarda piyasaya bomba gibi düşmüş olan bu regülatörün 4uV gürültüsü, yüksek PSRR si ve de akım değişimine olan hızlı tepkisi tüm dikkatleri üzerine çekmişti. LM78xx, LM3x7 ve LT108x gibi popüler modellerin değerlerine göre çok ciddi şekilde başarılı idi. Son zamanların yeni kralı ise Analog Device'ın yeni regülatörü ADM7150 oldu. Firma maksimum 800mA verebilen bu modelle 1uV gürültü ve 90db PSRR lanse etti.  1uV nin de altına "nano volt mertebesine" inmeyi başarmış regülatörler de var (LTC6655 gibi) Yalnız çok düşük akım değerlerine sahip oldukları için bizim projemizde yer edinmeleri pek mümkün değil.


Peki neden ultra düşük gürültülü regülatör ?

Son gerçekleştirdiğim femto clock güncellemesi düzgün bir elektrik beslemesinin nelere kadir olduğunu gösterdi bana. Binlerce dolar para döktüğümüz dijital hifi ekipmanlarımızın içini açıp bakarsanız genellikle birkaç dolarlık fiyat/performans ürünü donanımların tercih edildiğini görebilirsiniz. Daha da enteresanı bu donanımların (özellikle regülatörler) olması gerektiği gibi kurgulanmamış olması. Örnek verecek olursam bir LM317 yi 80-100uV gürültü değerinde de kullanabilirsiniz veya basit birkaç eklentiyle 15-20 uV civarında da. 

Biz kahramanımız ADM7150'ye yeniden dönelim. 8 bacaklı bu çipin teknik detayları etkileyici yalnız tek başına iş görüyor mu hayır. Tam performansını sergilemesi için belli bir kurgu içinde bulunması gerekiyor. Üretici teknik dökümanı içinde şu şekilde bir referans dizayn paylaşmış  :

Giriş ve çıkışlarda 10uF "mikro farat" kapasitör kullanılmış. Giriş/çıkış kapasitörleri olmayan istisnalar yok değil ama çoğu regülatör kurgusunda vardır bunlar. ADM7150 5V "fixed" sabit voltaj veren bir model olmasına karşın bybass kapasitörü eklemeye olanak veriyor. Burası birkaç açıdan çok önemli (aşağıda yazdım)  Ek olarak REF/REF_SENSE çıkışlarına 1uF ler eklemiş. Muhtemelen 100Khz bandındaki gürültüleri traşlamak için. Bazı 3ncü parti üreticiler bu tip regülatörleri kurgularken özellikle SENSE bacağını boş geçebiliyor. TekDevice'dan aldığım TPS7A4700 de bu şekilde idi. Ölçümlerde 100Khz bandında TPS7A4700 'nin oldukça kötü değerler verdiğini görmüştüm. Tabi üretici kendi zafiyetini çok iyi bildiğinden nerede ne kullanması gerektiğini de biliyor.  TPS7A4700 'nin referans dizaynında ve deneme devresinde o ayak boş değildi. Her neyse.. görünen o ki ADM7150 de de benzer bir durum söz konusu ama çözümü mevcut.

Bypass tarafına gelirsek farklı değerlere sahip kapasitörlerin frekans/gürültü değerleri şu şekilde :

Özellikle 100hz civarında ciddi farklar var 10Khz den sonra ise eşitleniyor. Buranın önem arz ettiğini yukarda da yazmıştım. Regülatörü dac çipi ve saat kristali gibi safi dijital devreleri beslemek için kullanıyorsak en düşük gürültü değerlerine (mavi çizgi) odaklanmamız gerekiyor. Üretici yukardaki referans dizaynda 1uF kapasitör kullanmış. Yalnız 100uF gibi daha büyük bir şeyin lazım olduğu açıkça görünüyor. Analog devrelerin (opamp örn.) arkasında ise durum daha farklı bir hal alıyor. Regülatörün frekans/gürültü karakteri özellikle ses tonlaması üzerinde etkin, duyulabilir farklar yaratabiliyor. 1uF den 1MF ye kadar yapılan seçimlerle sese ince ayar çekmek mümkün. 

Daha önceki tecrübelerimin ışığında, giriş/çıkışta kullanılan 10uF lerin tek başlarına yeterli olabileceğini düşünmüyorum. İdeal şartlar için belki sorun olmaz ama bahsettiğim o şartlar dünya paralar döktüğümüz high-end cihazların çoğunda bile yok maalesef.  10uF nin yanına ultrasonik gürültü için bir 0.1uF (tercihen seramik) ve 100-120hz bandı için bir 220uf (tercihen Tantalum) gerekecek.

ve LM78xx serisi 3 bacaklı regülatörlerin pin formatına uygun yaptığım ilk prototip karşınızda.
1uV gürültü değerine sahip Ark SuperReg V1.0

Tam ortaya ADM7150 'yi yerleştirdim. Giriş, çıkış ve VReg bacaklarına 10uF lerin yanına 0.1uF ve 220uF ler var. Bypass tarafında standart bir 10uF ve sonradan eklenebilen, jumper ile aktif hale gelebilen bir kapasitör var. Burada smd veya standart çift delikli bir model kullanma imkanı tanıdım. Sağ alta ise cihazın durumunu gösteren bir led ekledim. En/boy olarak 20mm/30mm ölçülere sahip. Böyle bir kurgu için son derece ufak sayılır.


Devamı gelecek..