¿Se puede atenuar el ruido de cualquier PSU de conmutación si coloco un regulador lineal antes de la salida?

Sí, es cierto que agregar un regulador lineal después de una SMPS (fuente de alimentación conmutada) reducirá el ruido, pero aún es necesario tener cuidado. Los resultados pueden ser muy buenos, pero es posible que no sean tan buenos como si se hubiera utilizado un transformador alimentado por la red más un regulador lineal.

Considere un regulador común LM7805 de 5 V de Fairchild. Esto tiene una especificación de "rechazo de ondulación" de 62 dB mínimo. "Ondulación" es ruido de entrada, pero generalmente está relacionado con las variaciones de frecuencia de la red dos veces de la entrada de red rectificada y suavizada. Esta es una reducción en el ruido de 10^(dB_noise_rejection/20) = 10^3.1 ~= 1250:1 Es decir, si hubiera 1 voltio de "ondulación" en la entrada, esto se reduciría a 1 mV en la salida. Sin embargo , esto se especifica a 120 Hz = el doble de la frecuencia de la red de EE. UU., y no se proporciona ninguna especificación o gráfico para la reducción de ruido a frecuencias más altas.

El regulador LM340 5V funcionalmente idéntico de NatSemi tiene una especificación ligeramente mejor (68 dB mínimo, 80 dB típico = 2500:1 a 10 000:1) a 120 Hz.
Pero NatSemi amablemente también proporciona un gráfico de rendimiento típico a frecuencias más altas (esquina inferior izquierda de la página 8).

.

Se puede ver que para la salida de 5 V, el rechazo de ondulación se reduce a 48 dB a 100 kHz (= 250: 1). También se puede ver que está cayendo linealmente a unos 12 dB por década (60 dB a 10 kHz, 48 dB a 100 kHz). Extrapolar esto a 1 MHz da un rechazo de ruido de 36 dB a 1 Mhz (~= 60:1 de reducción de ruido ). No hay garantía de que esta extensión a 1 MHz sea realista, pero el resultado real no será mejor que este y debería (probablemente) no ser mucho peor.

Como la mayoría (pero no todos) los suministros smps operan en el rango de 100 kHz a 1 MHz, se puede estimar que el rechazo de ruido será del orden de 50:1 a 250:1 en el rango de 100-1000 kHz para frecuencias de ruido fundamentales. Sin embargo, los smp tendrán una salida diferente a su frecuencia de conmutación fundamental, a menudo mucho más alta. Los picos muy delgados de rápido aumento que pueden ocurrir en los bordes de conmutación debido a la inductancia de fuga en los transformadores y similares serán menos atenuados que el ruido de frecuencia más baja.

Si estuviera utilizando un smps por sí mismo, normalmente esperaría proporcionar algún tipo de filtrado de salida y el uso de filtros LC pasivos con un "postregulador" lineal se sumará a su rendimiento.

Puede obtener reguladores lineales con mejor y peor rechazo de ondulación que el LM340, y lo anterior le muestra que dos circuitos integrados funcionalmente idénticos pueden tener especificaciones algo diferentes.

La eliminación del ruido de los smps se verá favorecida en gran medida por un buen diseño. El tema es demasiado complejo como para hacer algo más que mencionarlo aquí, pero hay muchas cosas buenas sobre este tema en Internet (y en respuestas de intercambio de pila anteriores). Los factores incluyen el uso adecuado de los planos de tierra, la separación, la minimización del área en los bucles de corriente, no romper las rutas de retorno de la corriente, identificar las rutas de flujo de alta corriente y mantenerlas cortas y alejadas de las partes del circuito sensibles al ruido (y mucho más).

Entonces, sí, un regulador lineal puede ayudar a reducir el ruido de salida de smps y puede ser lo suficientemente bueno como para permitirle alimentar amplificadores de audio directamente de esta manera (y muchos diseños pueden hacer precisamente eso) , pero un regulador lineal no es una "bala mágica" en esta aplicación y buen diseño sigue siendo vital.

Un regulador lineal tiene un ancho de banda limitado en el que puede regular. Se transmiten altas frecuencias. Lo bueno que un regulador amortigua las frecuencias se encuentra en el rechazo de ondulación. Busque una hoja de datos de LM317 y busque gráficos de la relación de rechazo de ondulación contra la frecuencia:

Depende de la corriente de carga, los voltajes de entrada y salida y aparentemente también si coloca un condensador en el pin Adj. Además, cae rápidamente en la frecuencia. La mayoría de las especificaciones se realizan a baja frecuencia, por lo que funciona perfectamente después de un transformador (que probablemente sea una ondulación de 100 Hz o 120 Hz).

Si obtiene un SMPS típico de estos días, puede cambiar a varios cientos de kHz. Aparentemente, un LM317 con un capacitor de 10 uF en el pin de ajuste solo maneja 40 dB a 100 kHz y 20 dB a 1 MHz. Una ondulación de 1 MHz y 1 V _pp todavía pasaría como una ondulación de 0,1 V _pp . A frecuencias más altas, solo empeorará y caerá a 0 dB, que no es amplificación ni amortiguación.

Este es un regulador LM317 barato, hay mejores en el mercado. Los LDO normalmente no son tan buenos en el rechazo de ondulación debido a su naturaleza de ser un poco menos estables.

Alternativamente, podría usar un filtro LC para amortiguar las cosas de alta frecuencia. ¡Sin embargo, tenga en cuenta que un filtro LC tiene una frecuencia de resonancia, que puede atenuar una determinada frecuencia decenas de veces!

No puedo ver (a menos que su regulador esté oscilando) un regulador lineal amplificaría el ruido. Claro, siempre agregará ruido de amplio espectro (ruido de temperatura, ruido de parpadeo, etc.), pero también lo harán transistores, resistencias, amplificadores operacionales, diodos, etc.

Sin embargo, debido a que está hablando de audio, me gustaría agregar a esa situación específica:

• Un amplificador operacional también tiene su propia PSRR (relación de rechazo de la fuente de alimentación). Algunos componentes no tienen gráficos para esta figura, sin embargo, esto también se suma a su regulador lineal. Un amplificador operacional de precisión AD8622 tiene una amortiguación de aproximadamente 20 dB - 40 dB a 100 kHz. (Los suministros positivos suelen amortiguarse mejor que los suministros negativos).
• Si un SMPS cambia por encima de 400 kHz, ¿le importaría/escucharía el ruido?

Como dice Hans, un regulador lineal no detendrá el ruido de HF de un SMPS. Puede filtrar si con pasivos como condensadores y bobinas. Debido a que las frecuencias involucradas son mucho más altas que la ondulación de 100 Hz de la que debe deshacerse en un suministro clásico, no necesitará electrolíticos tan grandes. (Estos electrolíticos tienen que ser grandes porque a menudo son la única forma de "regular" el voltaje rectificado).
Entonces, el desacoplamiento pasivo es la palabra. Si realmente desea usar un regulador lineal, puede usar un LDO ya que su voltaje de entrada no variará.

Por cierto, aún necesita un transformador en su SMPS, por supuesto, de lo contrario, su amplificador puede ser una experiencia impactante. Pero puedes hacerlo mucho más pequeño que los clásicos.

Lo principal que debe hacer es enrutar sus rastros correctamente. Si conecta su señal de audio a tierra justo al lado del SMPS, y luego tiene un regulador lineal después de esto, no le servirá de nada. Debe "canalizar" las trazas de tierra de una etapa a la siguiente y conectar su circuito de audio a tierra en la tapa de salida del regulador lineal.

Los cables no son conductores perfectos y una corriente ruidosa que pasa a través de un nodo de tierra hará que el voltaje fluctúe. El uso de un terreno fluctuante como referencia de audio significa que las fluctuaciones se vuelven parte de la señal.

Los estranguladores toroidales y las tapas de baja ESR también reducen la ondulación, lo que puede ser más sencillo reducir 40 db o más y elimina la necesidad de un regulador LDO.

http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an101f.pdf

aquí hay más información que respalda algunas de las opciones que Russell ya explicó con excelente detalle.

Definitivamente vale la pena señalar la página (9) del artículo que he adjuntado, ya que las curvas características de las perlas de ferrita son otra excelente consideración para la amortiguación de alta frecuencia, pero se usan muy rara vez.

Nuevamente, no hay una varita mágica, y la ferrita tiene una ventana más pequeña de aplicación útil que un circuito LC o RC común porque su efecto no es tan drástico, pero la gran ventaja es su efecto sobre la impedancia sin los efectos secundarios comunes asociados con los otros dos opciones, y utilizada en el lugar correcto, la ferrita puede tener un efecto excepcional en la estabilidad.

Como Peter preguntó anteriormente, con respecto al ruido audible, es muy cierto que filtrar dentro de una banda de frecuencia audible, digamos 20hz-20khz; puede ser una forma rápida de hacer que una fuente de alimentación sea muy útil. Vemos esto en filtros RC en amplificadores de guitarra todo el tiempo. En mi experiencia, especialmente en amplificadores de instrumentos de audio, esto solo se vuelve más cierto cuando el ingeniero final es, de hecho, un transformador de salida tradicional que tiene una frecuencia de corte generalmente entre 20 khz y 10 khz, que luego se acopla a un altavoz de marco de metal tradicional, y como es el caso de la guitarra, estos altavoces suelen estar atenuados para tener un corte de alrededor de 8Khz.

Entonces comenzamos a levantar la ceja incluso con un ruido de 100khz, no vale la pena el esfuerzo.

Pero en la práctica es una historia diferente, porque como sabemos, la frecuencia fundamental de interés tiende a no hacerle ningún favor a nadie y, naturalmente, crea armónicos por sí misma, extendiéndose hasta el rango audible. Si la frecuencia fundamental es inherentemente ruido, esto se convierte en una medida de control esquiva, porque muchas veces incluye más de una frecuencia fundamental, y el uso de filtros RC y LC puede tener efectos desagradables al cambiar el "tono" del ruido más de tratándolo Por lo tanto, puede ver lo fácil que estos efectos pueden crear una carrera en el papel.

Entonces, para adaptarse a esto, entrar en el estadio de béisbol correcto a veces puede ser tan fácil sabiendo las características del Ic que elegimos, o cualquier característica inherente del diseño de la fuente de alimentación que elegimos. Después de ese punto, asegurarse de abordar el ruido con las mismas consideraciones tanto en la frecuencia audible como en las frecuencias de alto orden puede dar resultados profundos.