Bild 2: Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) eines Linearreglers (ADM7150) bei Uin = 5 V und Uout = 3,3 V

Stromversorgung für sensible HF-Bauteile

Die Antwort auf diese Frage lässt sich im Wesentlichen in Abhängigkeit von zwei Rahmenbedingungen finden. Welche Versorgungsspannung steht zur Verfügung und wie empfindlich ist das HF-Bauteil gegenüber Störungen wie etwa Spannungswelligkeit bei unterschiedlichen Frequenzen?

Die Versorgungsspannung hat in allen nicht batteriebetriebenen Anwendungen einen stark störbehafteten Ursprung. Ein AC/DC-Wandler generiert eine Spannungsversorgung, welche üblicherweise noch erhebliche Spannungswelligkeit aufweist. In vielen Anwendungen wird diese Spannung mit einem DC/DC-Wandler in die Nähe der benötigten Betriebsspannung des HF-Bauteils gebracht.

Der Schlüssel für eine saubere Spannung liegt somit in der Filterung. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Es kann ein Schaltregler mit mehreren RC- oder LC-Filtern als Tiefpassfilter verwendet werden. Mit dieser Lösung erhält man eine sehr hohe Leistungseffizienz. Bild 1 zeigt im oberen Teil eine Schaltung mit einem Schaltregler, zwei zusätzlichen LC-Filterstufen -(Induktivität und Kapazität), um eine Spannung mit einer Spannungswelligkeit von nur wenigen µA Spitze / Spitze zu generieren.

 Bild 1: Oben Schaltregler mit passivem Filter, unten Schaltregler mit Linearregler
Bild 1: Oben Schaltregler mit passivem Filter, unten Schaltregler mit Linearregler

Bild 1 zeigt einen Abgriff der Feedbackspannung vor den zusätzlichen LC-Filterstufen. Hier ist darauf zu achten, dass die DC-Regelgenauigkeit der Ausgangsspannung innerhalb der Spezifikation liegt. Für eine hohe DC-Genauigkeit der Ausgangsspannung kann die Feedbackspannung nach den zusätzlichen Filterstufen abgegriffen werden. Hierbei ist aber bei der Auswahl der Werte des LC-Filters auch auf die Stabilität der Regelschleife zu achten.

Eine solche Schaltreglerlösung erfordert ein optimiertes Platinenlayout, damit sich durch die sehr schnellen Schaltflanken keine Störungen in den RF Teil des Systems einkoppeln.

Unten in Bild 1 ist eine Lösung mit einem Linearregler als Filter gezeigt. Mittlerweile gibt es ganze Linearregler-Produktfamilien, welche in erster Linie nicht für eine simple Spannungsregelung ausgelegt sind, sondern auf ihre Fähigkeit, Spannungswelligkeit und Störungen einer Versorgungsspannung, möglichst gut herauszufiltern. Der neue ADM7150 von Analog Devices beispielsweise bietet einen Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) von 100 dB. Dies entspricht einer Spannungsdämpfung um den Faktor 100 000. Eine Spannungswelligkeit von 20 mV am Eingang des Linearreglers wäre dann am Ausgang nur noch mit 200 nA vorhanden.

Die Filterfähigkeit eines Linearreglers ist stark abhängig von der jeweiligen Frequenz der Störung. Bild 2 zeigt den PSRR eines ADM7150 bei einer  Eingangsspannung von 5 V und einer eingestellten Ausgangsspannung von 3,3 V über den gesamten Frequenzbereich von 5 Hz bis 10 MHz. Neben der Frequenzabhängigkeit besteht auch eine Lastabhängigkeit. Diese ist besonders bei niedrigen Frequenzen bis ca. 2 kHz relevant. Je geringer der Laststrom, desto besser das PSRR-Verhalten.

 

 Bild 2: Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) eines Linearreglers (ADM7150) bei Uin = 5 V und Uout = 3,3 V
Bild 2: Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) eines Linearreglers (ADM7150) bei Uin = 5 V und Uout = 3,3 V

Bei der Auswahl eines passenden Linearreglers für Filteraufgaben ist also nicht nur der Eingangsspannungsbereich und die maximale Stromfähigkeit entscheidend, sondern vor allem die PSRR-Spezifikation sowie weitere relevante Eigenschaften wie das selber generierte Rauschen und die daraus resultierende Rauschdichte (Noise Spectral Density).

Moderne Linearregler für diese Anwendungen sollten also ein umfassendes Datenblatt bieten, in welchem diese wichtigen Parameter in unterschiedlichen Betriebsbedingungen angegeben sind. Besonders die Angabe von Parametern in einem breiten Frequenzspektrum ist essentiell.

Ob nun eine Spannungsversorgung mit einem Schaltregler und nachgeschalteten LC-Filtern oder eine Spannungsversorgung mit Schaltregler und nachgeschaltetem Linearregler die bessere Lösung ist, hängt von der benötigten Leistungseffizienz ab. Ein LC-Filter kann aufwändiger in der Entwicklung sein, hat einen höheren Platzbedarf und gewöhnlich höhere Kosten. Ein Linearregler muss für bestes Verhalten bei Filteraufgaben mit genügend Spannungsabfall zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung betrieben werden, welches zu erhöhten Energieverlusten führt.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.