Hi,
ich habe ein paar Fragen bzgl. des LM317 und hoffe das ihr mir
weiterhelfen könnt, da ich dazu kein Material im Netz gefunden habe. Ich
möchte hier keine Audophile Debatte vom Zaun brechen, ich frage einfach
nur weil es mich interessiert und weil ich die zum Teil erhebliche
Abweichung der Kondensatordimensionierung gegenüber den
Datenblattangaben registriert habe.
Das Datenblatt schlägt 100nF am Eingang, 1µF Tantal bzw. 25µF Aluminium
Elektrolytkondensator am Ausgang und 10µF Tantal am Adj.-Eingang vor.
1. Wie erklärt sich die zum Teil erhebliche Abweichung vieler
Dimensionierungen im Netz gegenüber den Datenblattangaben. Ist da
tatsächlich noch geringeres Rauschen mit zu erreichen oder ist das
"Quatsch"?
Im Datenblatt von ST wird das Rauschen mit 0.003% bei Vi-Vo=5V und
Io=1.5A angegeben.
2. Wie verhält sich das Rauschen in Abhängigkeit der Drop-Voltage?
3. Wie verhält sich das Rauschen in Abhängigkeit von Io?
Hintergrund der ersten drei Fragen, kann man bei einer bekannten Last
vielleicht eine eine Rauschoptimierung erzielen?
Dann sind mir im Verlauf meiner Recherche einige sogenannte Clean-Up
Schaltungen begegnet z.B.:
http://www.wenzel.com/documents/finesse.html
4. Was ist tatsächlich von diesen Schaltungen zu halten? Mir fehlen hier
irgendwie gleiche Vorraussetzungen aller Messungen, sprich gleiche Last
/ gleicher Strom, gleiche Drop-Voltage um die Resultate ernsthaft
miteinander vergleichen zu können. Alles Veröffentlichte wirkt wenig
wissenschaftlich aufgearbeitet auf mich. Wie verhält es sich unter
Berücksichtigung von 2. und 3.?
5. Dann besteht die Möglichkeit zwei LM317 unmmittelbar hintereinander
zu schalten (Kaskade, kaskadieren) und die PSRR zu verbessern. Wie gut
ist dieser Aufbau im Vergleich zur Clean-Up Schaltung? Wie verhält es
sich unter Berücksichtigung von 2. und 3.?
6. Weiterhin hatte ich eine Schaltung gefunden, bei der der
Sense-Eingang eines ersten LM317 den Ausgang eines nachgeschalteten
zweiten LM317 kontaktiert an dem auch die Last hängt. Quasi eine
Vorregelung eines weiteren LM317. Wie stellt sich das Rauschen hier dar?
Wie verhält es sich hier unter Berücksichtigung von 2. und 3.?
7. Wie gut kommt das hier veröffentlichte Spice Model der Realität nah?
Beitrag "Re: LM317 in LTspice"
Kann es als Grundlage für eine systematische Analyse meiner Fragen
herangezogen werden?
Das sind eine ganze Reihe Fragen. Wie gesagt, ich würde das Ganze etwas
wissenschaftlicher beleuchtet wissen, ohne Hokus Pokus drum herum und
ohne die Diskussion darüber was man davon mit seinen Ohren, die ja
ohnehin logarithmisch sind, wahrnehmen kann.
Ich freue mich auf eine rege und sachliche Diskussion.
MFG, Timo
Ob das Sinn macht, daß wissenschaftlich zu betrachten? Die Ideenumsetzer
müssen doch immer die theoretischen Gedankenblitze mit Aufwand und
Erfahrung nutzbar hinbiegen. :)
Eine Audio-Schaltung sollte (weitestgehend) ignorant für Welligkeiten
auf der Betriebsspannung sein. Wenn nicht, ist es ein Designfehler.
Kondensatoren machen Regelungen langsamer und Spannungsschwankungen
kleiner. Das verhindert Mitkopplung und damit das Schwingen (Bspw.:
Lastimpuls - Spannung Ein- & Ausgang sinkt, Steuerstrom steigt - was zu
noch geringerer Eingangsspannung führt).
Der Kondensator am Adj. z.B. fügt zum Spannungsregler noch ein bischen
Spannungssteller hinzu, wodurch es noch ruhiger bzgl.
(regelungsbedingtem) Rauschen auf der Ausgangsspannung wird.
>Hintergrund der ersten drei Fragen, kann man bei einer bekannten Last>vielleicht eine eine Rauschoptimierung erzielen?
Die einfachste Rauschoptimierung wäre das Ersetzen der gepimpten
LM317-Konstrukte durch etwas besseres (z. B. LT1763 )
>Das Datenblatt schlägt 100nF am Eingang, 1µF Tantal bzw. 25µF Aluminium>Elektrolytkondensator am Ausgang und 10µF Tantal am Adj.-Eingang vor.
Das sind die Mindetswerte.
>1. Wie erklärt sich die zum Teil erhebliche Abweichung vieler>Dimensionierungen im Netz gegenüber den Datenblattangaben. Ist da>tatsächlich noch geringeres Rauschen mit zu erreichen oder ist das>"Quatsch"?
Steht doch im Datenblatt, siehe Anhang: Der Ausgangswiderstand
verkleinert sich und Laständerungen können um so besser ausgeregelt
werden, je größer der Cap am Ausgang ist. Auf das Rauschen hat das
allerdings kaum Einfluß.
Was das Rauschen angeht: Üblicherweise werden OPamp-Schaltungen mit
diesen Reglern versorgt. OPamps haben eine sehr große
Betriebsspannungsunterdrückung. Ein LT1028 zeigt mehr als 60dB PSRR bei
20kHz. 0,003% von 15V sind rund 450µVeff im Band bis 10kHz, also rund
4,5µV/SQRT(Hz). Dieser Wert durch 1000, wegen der PSRR, sind
4,5nV/SQRT(Hz). Dieses Rauschen erscheint, auf den Eingang des LT1028
bezogen, vom LM317 zu kommen. Ein LM317 mit Bypass-Cap erzeugt aber ein
Rauschen, das rund 10 mal kleiner ist. Macht 0,45nV/SQRT(Hz) auf den
Eingang des LT1028 bezogen. Das ist schon nur noch rund die Hälfte des
Eigenrauschens des LT1028 von 0,85nV/SQRT(Hz). Wegen der geometrischen
Addition von Rauschquellen erhöht der LM317 also das Rauschen des LT1028
um nur 1dB. Spendiert man jetzt dem LT1028 noch ein RC-Glied in der
Spannungsversorgung von 100R und 100µF, erhält man eine zusätzliche
Dämpfung des Rauschens von rund Faktor 200. Damit ist das vom LM317
erzeugte Rauschen rund 380 mal kleiner als das Eigenrauschen des LT1028.
Du siehst also, daß das Rauschen von Spannungsreglern üblicherweise
keinen Einfluß auf das Signalrauschen hat, korrektes Schaltungsdesign
vorausgesetzt.
Kai Klaas schrieb:> Du siehst also, daß das Rauschen von Spannungsreglern üblicherweise> keinen Einfluß auf das Signalrauschen hat, korrektes Schaltungsdesign> vorausgesetzt.
Mit solchen Aussagen wäre ich sehr vorsichtig. Jetzt ersetze deinen
OpAmp mal durch einen Transistor, es soll ja Leute geben die noch immer
mit diesen Dingern arbeiten :)
Dabei sei es egal ob Bipolar oder FET, dann war es das mit der PSRR.
branadic schrieb:> Dabei sei es egal ob Bipolar oder FET, dann war es das mit der PSRR.
Nicht unbedingt. Dem Einfluss kann man auch dort entgegenwirken.
Angefangen vom RC-Glied in der Versorgungsspannung, über den diskreten
Differenzverstärker bis hin zum aktiven Arbeitswiderstand.
mhh schrieb:> Nicht unbedingt. Dem Einfluss kann man auch dort entgegenwirken.> Angefangen vom RC-Glied in der Versorgungsspannung, über den diskreten> Differenzverstärker bis hin zum aktiven Arbeitswiderstand.
Danach wurde hier aber gar nicht gefragt. Auf die eigentlichen Fragen
ist noch niemand direkt eingegangen. Den genannten Link kenne ich auch,
allerdings wirkt auch das eher als Spielerei denn systematischer
Untersuchung.
Zu den eigentlichen Fragen weiß ich selbst leider auch nicht wirklich
etwas zu sagen. Mir ist allerdings auch keine Abhandlung bekannt, bei
der systematisch die einzelnen Einflüsse, nach denen hier gefragt worden
ist, behandelt worden sind.
Eine Empfehlung auf einen anderen Baustein ist jedoch wenig hilfreich,
wenn konkret nach dem LM317 gefragt wurde.
branadic schrieb:> Danach wurde hier aber gar nicht gefragt.
Ist ja auch nur eine Einlassung auf Deine Aussage, mehr nicht. :)
branadic schrieb:> Auf die eigentlichen Fragen> ist noch niemand direkt eingegangen.
Eigentlich schon (auch von Dir): nichts bekannt bzw. nicht sinnvoll.
Auch ein Negativbescheid ist ein Bescheid. ;)
Wer eine Babypopoglatte Spannung (für was auch immer) braucht, macht es
anders als mit einem wissenschaftlich untersuchtem LM317 (wo es auch
noch kleine herstellerabhängige Unterschiede gibt).
>Danach wurde hier aber gar nicht gefragt.
Also, das Rauschen kommt von der Bandgap-Referenz und wird im Verhältnis
des Spannungsteilers hochverstärkt. Der Bypaß-Cap verhindert diese
Verstärkung. Welchen Einfluß sollte da wohl die Drop-Spannung oder der
Ausgangsstrom haben?? Außerdem kann der TE das ja selbst in 20min
schnell nachmessen, wenn ihm soviel daran gelegen ist.
>Eine Empfehlung auf einen anderen Baustein ist jedoch wenig hilfreich,>wenn konkret nach dem LM317 gefragt wurde.
Das Problem ist, daß der TE wieder mal mit keinem Wort erwähnt, was er
überhaupt vor hat.
Timo schrieb:> Ich> möchte hier keine Audophile Debatte vom Zaun brechen, ich frage einfach> nur weil es mich interessiert und weil ich die zum Teil erhebliche> Abweichung der Kondensatordimensionierung gegenüber den> Datenblattangaben registriert habe.
Klingt für mich nach grundsätzlicher Fragestellung ohne konkrete
Anwendung. Soll es ja auch geben.
Ich habe mir das Spice Model mal angeschaut und festgestellt dass das
Rauschen nicht korrekt wiedergegeben wird. Es ist etwa Faktor 20 zu
klein im Vergleich zu meinem quick&dirty Aufbau und dem was ich daran
messen konnte.
Ich habe die Schaltung nach ST-Datenblatt auf 2,5V dimensioniert
(R1=R2=240R) und am Ausgang einen 50R Widerstand als Last gehängt. Dann
mit meinem Rauschverstärker nach AN83 das Rauschen im Bereich 10Hz -
100kHz gemessen und komme auf ~155nV/sqrt(Hz) @ 1kHz --> 49µVrms. Das
deckt sich auch mit den Datenblattangaben von typ. 0.003%, was bei 2,5V
Ausgangsspannung 75µVrms für die gewählte Ausgangsspannung bedeutet.
Spice gibt mir für die gleiche Dimensionierung etwa 11,9nV/sqrt(Hz) @
1kHz aus.
Damit ist Frage 7 zumindest beantwortet.
Das Rauschverhalten des LM317 dürfte übrigens ähnlich dem LM396 sein,
Seite 8 links oben:
http://offer-shem.narod.ru/data/lm/lm196.pdf>Spice gibt mir für die gleiche Dimensionierung etwa 11,9nV/sqrt(Hz) @>1kHz aus.
Vielleicht rechnen die mit einer anderen Bandbreite?
Anbei die Beantwortung weiterer deiner Fragen, Timo.
Zunächst die Messung des Eigenrauschens des Messverstärkers, dann die
Messung an Schaltung1 mit der Frage nach dem Einfluss der Drop-Voltage.
Wie zu erwarten war hat diese keinen Einfluss.
Dann die Frage, kann man durch eine Kaskadierung das Rauschen
verbessern. Auch hier wie zu erwarten war, nein, lediglich die PSRR
wurde dadurch verbessert, am Rauschen ändert sich nichts. Da ich die
Schaltungen aus einem Labornetzteil (PPS 5330) gespeist habe sieht man
hier auch keine Verbesserung.
Damit wären auch Fragen 2 und 5 mit Messungen belegt beantwortet. Diese
Clean-Up Schaltung kann ich wegen nicht vorhandener Bauteile nicht
nachstellen.
Saubere Arbeit, Branadic!
Hat denn der Laststrom des LM317 Einfluß auf das Rauschen?
Wahrscheinlich darf man nur kurz messen, um Chiperwärmungen zu
vermeiden...
>Diese Clean-Up Schaltung kann ich wegen nicht vorhandener Bauteile nicht>nachstellen.
Diese funktionieren in der Tat. Einige sind aber nicht an beliebigen
Lasten stabil. Ein anderer Nachteil ist, daß sie mit einem aktiven
Spannungsteiler arbeiten, also immer einen ohmschen Serienwiderstand
benötigen. An diesem finden natürlich Spannungsabfälle durch
Versorgungsströme statt, die die Verwendung wohl immer nur in Verbindung
mit nur einer einzigen Verstärkerstufe gestatten. Da Versorgungsströme
außerdem extremen Klirr enthalten können (in Klasse-AB eingestellte
Transistorstufen), hat der Spannungsabfall noch andere Nachteile. Es muß
also in jedem Fall mit einer großen Kapazität nachgearbeitet werden, um
die klirrenden Wechselspannungsanteile zu mininmieren. Dann hat man so
etwas wie ein gepimptes RC-Glied, das aber nicht uneingeschränkt stabil
ist. Da aber schon das nackte RC-Glied das Rauschen enorm verringern
kann, siehe meine Berechnung oben, beläßt man es in der Regel bei einem
normalen RC-Glied und verwendet keine zusätzliche Clean-up-Schaltung.
mhh schrieb:> Eine Audio-Schaltung sollte (weitestgehend) ignorant für Welligkeiten> auf der Betriebsspannung sein. Wenn nicht, ist es ein Designfehler.
An Timos Stelle würde ich eher direkt das Rauschen der Audioschaltung
messen. Und zwar einmal mit dem LM317 und einmal mit direkter
Batterieversorgung. Wenn es da einen signifikanten Unterschied gibt,
könnte man immer noch überlegen, ob man die LM317-Schaltung optimiert.
Gruss
Harald
Kai Klaas schrieb:> Saubere Arbeit, Branadic!>> Hat denn der Laststrom des LM317 Einfluß auf das Rauschen?> Wahrscheinlich darf man nur kurz messen, um Chiperwärmungen zu> vermeiden...
Danke für die Blumen Ich hoffe Timo ist diese Aufarbeitung
wissenschaftlich genug.
Manchmal ist man tatsächlich besser beraten gewisse Dinge einfach mal
praktisch auszuprobieren, zu bestätigen oder gar zu widerlegen, statt
sich nur mit theoretischen Überlegungen und Datenblattangaben
herumzuschlagen. Wir wissen alle das hin und wieder auch
Datenblattangaben geschönt oder von anderen Herstellern einfach
übernommen werden.
Das mit dem Laststrom könnte ich noch mal "untersuchen".
Bei den Clean-Up Schaltungen habe ich keine praktischen Erfahrungen,
werde mich daher mit Äußerungen zurück halten, kann die Argumentation
jedoch gedanklich nachvollziehen.
Mir sind natürlich auch die divesen Veröffentlichungen zu
Spannungsversorgungen aus dem audiophilen Bereich bekannt (Sulzer, Jung
und wie sie alle heißen) und natürlich auch der Schabernack der
teilweise um den LM317 herum getrieben wird. Praktisch nachvollzogen
habe ich davon bisher aber nichts.
Tatsächlich sind aber einige Messungen am LM317 im Netz in Frage zu
stellen.
Also, kurze Rückmeldung. Hab die Messung mit 25mA und 50mA durchgeführt,
kann dabei jedoch keinen Unterschied feststellen. Will ich die Messung
mit 100mA durchführen ist der Rauschverstärker (A=80dB) schon
übersteuert, hier steigt also das Rauschen so stark an, dass ich nicht
mehr vernünftig messen kann. Mein zweiter Rauschverstärker mit A=60dB
ist zur Zeit nicht einsatzbereit.
>Also, kurze Rückmeldung. Hab die Messung mit 25mA und 50mA durchgeführt,>kann dabei jedoch keinen Unterschied feststellen.
Wäre denn das Rauschen vom Laststrom stark abhängig, wäre das ein
Zeichen von erheblicher Unlinearität der Regelschaltung des LM317.
Deswegen glaube ich eher nicht, daß der Laststrom eine gravierende Rolle
spielt.
Kai Klaas schrieb:> Wäre denn das Rauschen vom Laststrom stark abhängig, wäre das ein> Zeichen von erheblicher Unlinearität der Regelschaltung des LM317.
Das hat mich auch nicht in Ruhe gelassen, also habe ich die Schaltung
noch einmal auf 25R Last zurückgelötet und erneut gemessen. Keine Ahnung
was das vorhin war, aber jetzt sehe ich auch zwischen 100R und 25R
keinen Unterschied, was die Aussage bestätigt.
>Das hat mich auch nicht in Ruhe gelassen, also habe ich die Schaltung>noch einmal auf 25R Last zurückgelötet und erneut gemessen. Keine Ahnung>was das vorhin war, aber jetzt sehe ich auch zwischen 100R und 25R>keinen Unterschied, was die Aussage bestätigt.
Mensch, machst du dir eine Mühe. Vielen Dank, von meiner Seite!
Kai Klaas schrieb:> Mensch, machst du dir eine Mühe. Vielen Dank, von meiner Seite!
Jetzt halt mal die Socken still ;) eine solche Messung macht sich doch
fast von allein. Die Auswertung (PSD von 100 Messreihen bilden und über
diese mitteln) erfolgt ebenalls einigermaßen automatisiert, sodass der
Hauptteil der Messung in der Vorbereitung der eigentlichen zu
untersuchenden Schaltung besteht. Außerdem hatte ich die Bauteile gerade
da und etwas Zeit.
Herzlichen Dank für die ausführliche Analyse. Ich war einige Tage
unterwegs, darum kann ich mich erst heute melden.
Jetzt wäre es natürlich schön am praktischen Beispiel zu sehen, was
diese Bereinigungsschaltungen zu leisten vermögen. Auch gut zu wissen,
dass das Spice Model nicht zur Rauschanalyse taugt. Vielleicht hat ja
jemand ein geeigneteres Spice Model des LM317?
Das anhängende Spice Model des LM317 passt vom Rauschverhalten besser zu
meinen Messungen (vergleiche LM317-Schaltung2-2.5V.png und Laststrom.png
weiter oben).
Jetzt war ja die Frage, welchen Einfluss diese Bereinigungsschaltungen
haben. Da das Model die Realität hinreichend gut wiedergibt verwende ich
es für diese Fragestellung und habe eine Simulation mit LM317 bei 15V
Ausgangsspannung mit und ohne CleanUp-Schaltung aufgesetzt
(LM317-CleanUp.png). Das Ergebnis ist dann in CleanUp-Einfluss.png
dargestellt. Welchen Einfluss die CleanUp-Schaltung nimmt ist sicherlich
ersichtlich.
