Zřídka kladené otázky. Mikrofonní fantomový napájecí zdroj s extrémně nízkým šumem s využitím miniaturního zvyšujícího DC/DC měniče

Dokážu vytvořit kompaktní fantomový napájecí zdroj (48 V) s extrémně nízkým šumem ze vstupu 5 V, 12 V nebo 24 V?

Dokážete, s využitím jednoduchého zvyšujícího měniče, filtračního obvodu k potlačení šumu a malého triku k udržení miniaturních rozměrů.

Profesionální kondenzátorové mikrofony potřebují zdroj 48 V k nabití vnitřního kapacitního akustického měniče a k napájení vnitřního oddělovacího stupně pro jeho vysokoimpedanční výstup. Zdroj dodává jen malý proud, typicky jen několik mA, ale musí mít velmi nízký šum, protože výstupní signál z mikrofonu má docela nízkou úroveň a oddělovací stupeň nemá zvlášť dobré potlačení zvlnění napájecího napětí. Fantomový zdroj dále nesmí vnášet elektromagnetické rušení do obvodů zpracovávajících slabé signály, které jsou umístěny v jeho bezprostřední blízkosti, což je vždycky obtížným úkolem u výrobků stěsnaných do malého pouzdra.

Velice kvalitní zdroj lze postavit se zvyšujícím měničem LT8362, který je osazen spínacím prvkem 60 V / 2 A, schopným pracovat na kmitočtech až 2 MHz, to vše v pouzdru o miniaturních rozměrech 3 × 3 mm. Základem zapojení představeného v tomto článku je standardní vývojová deska DC2628A, jejíž obvodové schéma je vidět na obr. 1.

Vstupní odrušovací filtr na vývojové desce dělá dobrou práci tím, že se postará o vysokofrekvenční šum za přispění spínané indukčnosti, která se objevuje zapojená v sérii se vstupem. Na výstupu situace již tak dobře nevypadá. Výstupní filtr účinně potlačuje šum v oblasti MHz, ale na šum v akustickém pásmu kmitočtů má jen malý vliv. Tento šum vzniká hlavně v důsledku třicetinásobného zesílení ve zpětnovazební smyčce zesilující šum reference LT8362.

Jedním řešením, jak se šumu zbavit, je přidat na výstup kapacitu. Fungovalo by to za předpokladu, že by její hodnota byla dostatečná, ale při výstupním napětí 48 V je k dispozici kondenzátor s nejnižším pracovním napětím 63 V. Takový kondenzátor bude ale nutně velký a také drahý.

Další možností by bylo zvýšit výstupní napětí LT8362 o volt až dva a zařadit na výstup regulátor LDO (regulátor s nízkým úbytkem). Takové řešení ale vyžaduje použití vysokonapěťového regulátoru LDO, jehož cena je obvykle vyšší, než je cena jeho nízkonapěťové varianty. I když tyto regulátory mohou mít nízký šum při nižších úrovních výstupního napětí, obvody s napěťovou referencí rovněž trpí stejným problémem násobení šumu reference jako LT8362.

Třetí varianta představuje využití skutečnosti, že citlivost výstupu mikrofonu nezávisí příliš na napájecím napětí, takže fantomový napájecí zdroj nemusí mít dokonalou stabilizaci. To znamená, že si můžeme dovolit zapojit do série s výstupními kondenzátory nějaký odpor a zvýšit tak jejich účinnost; nicméně takto lze problém velikosti kondenzátorů s vyšším jmenovitým napětím pouze zmírnit.

Lepším řešením je zdánlivě zvětšit kapacitu výstupních kondenzátorů. Toho lze dosáhnout starou technikou ze školy nazývanou násobení kapacity. Tento jednoduchý obvod je vidět v šedém poli obrázku 2.

Zde kondenzátor 100 μF určuje úroveň zvlnění proudu báze, takže jeho vliv na kolektorový proud je zesílen zesilovacím činitelem β tranzistoru NPN. Tento účinek je zásadní. Obr. 3a) ukazuje výstup obvodu LT8362 na C4 (před filtrem) se zátěží 1 kΩ (50 mA).

Úroveň šumu je zhruba 80 mV_šš, což odpovídá přibližně 0,2 % obsahu šumu. Ačkoli by to pro méně náročné aplikace stačilo, situace za filtrem je výrazně lepší − při 1 mV_šš – jak je vidět na obr. 3b). Tato úroveň představuje šumový obsah přibližně 0,002 % nebo 20 ppm, což je dostatečné i pro ty nejnáročnější aplikace. Obr. 4 ukazuje uspořádání aplikace na stole.

Tranzistor SBCP56-16T1G byl zvolen kvůli vysokému napětí U_cbeo (80 V) a vysokému β při malých proudech. Jeho vysoké β dává kapacitnímu násobiči vysokou hodnotu zdánlivé kapacity a relativně konstantní úbytek při změnách výstupního proudu. Výstupní napětí klesne z 47,8 V při zátěži 2 kΩ na 47,5 při 500 Ω, což je dostatečné pro mikrofonní aplikace. Nepoužívejte jiný typ tranzistoru, aniž byste ověřili jeho šum a schopnost stabilizace.

Zapojení bylo odzkoušeno při vstupním napětí 16 V, ale dosažené výsledky budou velmi podobné při napájení od 12 V do 24 V. Některé aplikace mohou vyžadovat vzestupný převod z 5 V, což lze realizovat snížením spínacího kmitočtu LT8362 ze 2 MHz na 1 MHz, a dosáhnout tak minimálního času v rozepnutém stavu 75 ns. Pro zajištění nezměněné funkce by bylo také třeba zvětšit indukčnost L1 na 10 až 15 μH a zdvojnásobit kapacitu sběrného kondenzátoru C4.

Článek byl přeložen a poskytnut firmou Amtek s. r. o. www.amtek.cz