简单稳压电源

翻译：http://www.tnt-audio.com/clinica/regulators_noise1_e.html

第一节：噪声

前言

我们都知道电源稳定性对放大电路（或者ADC、DAC、时钟发生器）的行为和听感是多么重要。从而，如果在音频电路设计中没有给予电源供给部分足够重视的话，这个电路不能认为是完整的。令人伤悲的是（杨子见逵路而哭之，为其可以南可以北；墨子见练丝而泣之，为其可以黄可以黑？），正如现实存在诸多放大电路的拓扑结构一样，稳压电路亦复形式多样。不过文献中缺乏对它们的客观比较。这正是这篇文章的目的所在，如下三件事也是促成此文章的原因。

其一：往昔时，在著名的DIY论坛DIYAudio上有大量的关于稳压器的讨论，其中的一种结果是学习、设计更加复杂、昂贵的稳压器。（然而）我想尝试一些简单、便宜的方案。

其二：我有了时间去构建一个面包板放大器，可以通过跳线选择五至六个不同类型的电压调节器作为输入。

其三：拥有一个精致的声卡，可以作测试之用。

理想的电源供给

教材上轻描淡写给出的理想电源是：拥有零输出电阻、没有任何电流限制。它和现实的距离让你想哭。下面给出的是作为音频功率放大器之用的电源所应具备的特质：

低输出电阻

在一个很宽的频带内–音频范围之外，譬如100KHz~1MHz–表现良好

线性输出阻抗，或者说是低的信号失真–如果信号存在于电源回路上的话

邻近电路稳压器间低的互扰

低输出噪声，譬如不输出任何自生的AC分量

系列文章将先从测量稳压器的输出噪声（包含两种电池！）开始。之后，我们会考察稳压器的输出阻抗，以及它和负载电容的关系。如果时间允许，稳压器的线性和聆听测试亦将涵括。

系统设置

如前所述，待测试设备为一个立体声线路放大器，使用经典的Jung AD744/LM6181配置，增益为10dB，每个声道使用独立的+/-12V稳压电源。多达五路稳压器的输出可以提供给它，这些稳压器从另外的21V预稳压器取电（事实上是Trichord Dino+）。

一路正电源输出和一路负电源输出连接到读出前置放大器和ADC，它们构成了测试系统。读出放大器（事实上为NE5532而不是TL072）给出了40dB的电压增益，用以提升任何叠加于电源回路上的噪声，使其电平在测试设备的系统噪声之上。ADC为一个Terratec Phase 26 USB数字回放系统，运行于44.1KHz、16bit模式。

上图所示是输入短路后测试系统的本底噪声。在10KHz处的噪声尖峰，是源自Terratec ADC的假象，可能和它取电于USB总线有关。起初我对Phase26的这种表现十分失望，和普通的Soundblaster类声卡相比，它必须是高品质的录音ADC，适合用于录音室：它的制造标准可是和Behringer’s数字空间均衡器相仿的！不过话说回来，这个噪声基本上处于听阈之下，它可以作为录音时的抖动，这么想我现在好受多了。

频谱上0dB的标记对应于2100mV RMS的ADC输入，考虑到读出放大器40dB的电压增益，它对应电源回路上监测到的21mV噪声电压。-60dB对应于指定频率上21uV的噪声。

1.2：测试和图绘

LM317/LM337串联稳压器

上图给出的电路覆盖了几乎所有能用在LM317之上的元件。基础电路可以舍弃R9/C10输入滤波器，以及C9–调整引脚旁路电容。输入滤波器用来抑制纹波，故而我们暂时忽略它们。我们先来看看LM317/LM337没有调整旁路电容的情况，它和别的三端稳压器–78/79系列很接近。

上面的图示中，粉红色的曲线是LM317在输出12V时的噪声频谱，蓝色曲线为LM337。每路电源均使用了一个220uF红宝石ZL电容–ESR为75毫欧的中等质量电解电容。317/337均没有使用调整引脚旁路电容。

能说什么呢，但是输出噪声确实有些大，在20KHz频宽内约为250uV RMS，更重要的是，噪声频谱在两种极性的稳压器间差别很大。将读出放大器的输出引至我的Cyrus One并且用AKG-400耳机聆听—稳定的大声喧嚣，并且317和337的音色有明显的区别。总之，很恐怖。

事情越来越有趣了。看，LM317的表现很大程度上依赖于它的输出电容，上面的图示是在用4.7uF的红宝石ZA电容（一种超低阻抗电容，和三洋的OSCON类似，540毫欧姆ESR？）取代220uF电容的情况下绘制的。极低的电容容量和317呈上升趋势的输出阻抗相互作用，在8KHz处给出了一个噪声尖峰。

这次用22uF的输出电容，它确实降低了输出噪声的幅度和频率，虽然尖峰依然存在。负电源输出的LM337有同样的趋势，不过它相比其同胞很难被注意到。

这些噪声峰值对放大器有着潜在的危害，如果放大器的电源抑制不是很高的话，譬如无负反馈型晶体管/FET电路，或者运放应用于高增益场合。甚者，峰起表示稳压器有不稳定的迹象。

你不可能在这些稳压器的数据手册上看到这些信息，不过它们也在一些文档上有记载，譬如Erol Dietz的“理解和减少三端稳压器的输出噪声电压”，以及Steven Sandler的“Spice所揭露的稳压器稳定性问题”从这些文档你可以了解到，LM317的输出感抗随输出电流而变化，从而上述的噪声峰值是随负载变化的。正是我们“所需”：一台受信号调制的噪声发生器！

有些制造商，值得提起的是LFD，严格遵循稳压器类型来设计后续低通滤波器。在某个话放级，我曾经见过在78/7912后面串75Ohm电阻之后再接2200uF电容。它能很好的处理输出噪声问题，代价是稳压器的输出阻抗增大。

让我们换回220uF的输出滤波电容，并且在三端稳压器调整脚上添加旁路电容，实例中为22uF ZL电容。会发生何种情况呢？噪声降低了10倍，为20dB。虽然，耳机还是可以听到这些电压噪声的轰鸣。

当我们用4.7uF的电容取代220uF的电容后，输出还会出现噪声尖峰么？结果是？请看上图，尖峰无影踪，它移至20KHz频率之外去了。题外话，我们的317终于和337表现很一致了！

最后，测试一个特例。两个稳压器都接有调整脚滤波电容，但是没有输出电容。317继续保持相对低的噪声水平。337的输出噪声却大幅上升。

测试和图绘

TL431并联稳压器

作为三端并联稳压器，TL431在某些DIY论坛被当做神一般的存在。不过，在音响领域，它几乎从未被用过。如果运用在单位增益模式：意思是从电源回路到参考输入有直接的高通反馈，也即是上图中的C3，它的频响可以高达100KHz。硬要去除C3的话，稳压器的带宽和阻抗指标都会大幅降低。在商用设备中，并联稳压器很难使用到，并且不可能取代串联稳压器。还有，如果你不是很清楚总负载电流，计算R16的阻值将是很讨厌的，注意如果没有输出电容C5的话，431是非常不稳定的。另一方面，如果用恒流源取代R16的话，会很大程度上降低输入纹波的数量和更好的隔离。

上图所示的噪声频谱，是在增益为5的、输出滤波电容为220uF的条件下绘制的。噪声稍稍比LM317低。不过或许是因为它更加均匀的分布在测量频谱之上罢。

上图所示频谱为添加C3，使AC增益减少至一之后的结果。噪声大约降低了12dB，差不多等于上述两个电路AC增益间的差距。

有些人喜欢不让TL431工作在单位增益模式的观点。亦即不使用C3，这样做无疑降低了一系列的电路指标。一种折衷方案入上述电路所示：在电容上串接电阻R24，使得电路在高频时增益维持在2的水平，直流增益为5。我们没有关于此电路的测试结果，不过可以想见，它的噪声应该比单位增益型高6dB左右。

还有一种让人感兴趣的电路如上图所示，TL431被配置成并联控制放大器，用来驱动一个射极跟随器。输出阻抗比单独使用TL431会低很多，不过暂时没有相关测试数据。

齐纳二极管加射极跟随器形式

这可能是任何人能想到的最简单分立器件稳压器了。忽略R13（它降低电路的电源消耗，并可作为RC滤波器的一部分，用于增强纹波去除作用）。核心部分为齐纳二极管D1，作参考电压只用。普通齐纳二极管总是有很大的噪声，所以需要低通滤波器，所幸它有着很低的输出阻抗。从而，在D1中串入R14虽则降低了DC稳定性，但是极大地减少了输出噪声。射极跟随器Q4构成电路输出级。输出30mA电流的情况下，输出电阻为可以接受的1欧姆，而且它随输出电流增大而减少。基极电阻R17用来增强电路稳定性。很简单吧！

仅从输出噪声上考量，上述电路就是赢家，它的噪声比其余电路低20dB以上。低频部分的尖峰是100Hz及其谐波分量，显然源自电源供给部分，不过原因不明确，或许是地线布局问题吧。（个人以为也可能是测试线问题…整流器泄露的100Hz电磁干扰无处不在）

用耳机来听？

幽灵般寂静。

双晶体管并联稳压器

这是网上流传甚广的一种简单并联稳压器的改进电路。它是一种单位增益放大器（C1之功劳），由增益单元Q1，和射随器Q2组成。在这种特殊形式的电路中，Q1的开环增益由于高阻值电阻R3而显得很高，它被连接到R2、R15之间的15V电压点上。高的开环增益使闭环输出电阻降低到50毫欧，直至1MHz频率。使用其它种类的方案，还可以得到更低的开环增益，譬如Q1使用恒流源负载。高的开环增益需要额外的补偿来使电路稳定工作：事实上我的四块面包板的一块就“温柔地”振荡了一小会儿，在Q1集电极到地之间并联22pF电容后才消失。

“温柔地”是相对TL431式“野蛮”振荡来说的，分立件稳压器在1KHz处给出了8mV的正弦波输出，而431是100mV的宽频混乱输出。