Lo schema precedente descrive quasi tutto quello che è possibile collegare all'onnipresente LM317, il regolatore positivo a 3 piedini (LM337 si utilizza per le tensioni negative, il 117 ed il 137 sono le versioni militari). Il circuito base non prevede il filtro d'ingresso costituito da R19/C10, e dal condensatore di bypass C9 per la taratura. Il filtro in ingresso ha effetti esclusivamente sulla soppressione del ripple, per cui da qui in avanti sarà ignorato. Inizamo ad osservare lo LM317/337 utilizzato senza la capacità di taratura, nel qual caso si avvicina molto agli altri dispositivi dozzinali a tre terminali, quelli della serie 78 e 79.
Nel grafico precedente la curva rosa rappresenta lo spettro del rumore di uscita del nostro regolatore a 12V LM317, e quella blu è riferita allo LM337 (per tensioni negative). Su entrambi i terminali è stata utilizzata una capacità Rubycon ZL del valore di 220uF, un componente di media qualità con un ESR di circa 75 milli-Ohms. Sia il 317 sia il 337 sono stati utilizzati senza il condensatore di regolazione di bypass.
Possiamo dire che il rumore di uscita è piuttosto alto, circa 250 uV RMS su una larghezza di banda di 20kHz e forse, cosa ancor più importante, lo spettro del rumore differisce sensibilmente tra le due polarità. Collegandolo al mio Cyrus One integrato e ascoltando con le mie cuffie AKG K-400 si nota un rumore costante e fastidioso simile ad un "ruggito", abbastanza diverso nel timbro tra il 317 ed il 337. Tutto sommato una caratteristica piuttosto terrificante.
Ma le cose si fanno ancor più interessanti. Vedete, il comportamento di un LM317 dipende molto dalla capacità che si trova in uscita. Il grafico precedente è stato realizzato con un condensatore Rubycon ZA del valore di 4.7uF (un componente con un'impedenza bassissima simile all'OSCON della Sanyo, con uno ESR da 540mOhms) che ha sostituito quello da 220uF. Il valore più basso della capacità interagisce malamente con la crescente impedenza di uscita del 317 e genera un picco di rumore piuttosto fastidioso a circa 8kHz.
La sostituzione del condensatore da 4.7uF C con uno da 22uF abbassa la frequenza e l'ampiezza del picco di rumore, anche se il rumore permane (è ancora presente con un condensatore da 220uF, se osservate attentamente). L'aspetto negativo dello LM337 è la tendenza al picco di rumore, ma questa risulta molto meno pronunciata rispetto al suo corrispettivo.
Questi picchi di rumore sono potenzialmentte dannosi quando si trovano ad alimentare circuiti di un amplificatore con bassa reiezione dell'alimentazione, cioé circuiti a transistor/FET senza controreazione o anche amplificatori operazionali impiegati con alti guadagni. Inoltre la natura impulsiva di questo fenomeno indica problemi di stabilità, il che potrebbe essere ancora peggio.
Non avrete modo di leggere tutto ciò sui datasheet dei regolatori, ma è stato documentato in articoli del tipo "Understanding and Reducing Noise Voltage on 3-Terminal Voltage Regulators" di Erol Dietz, su Electronic Design (non so l'edizione) , e "Spice Uncovers Regulator-Stability Problems" di Steven Sandler, su Personal Engineering, Agosto 1998. Da questi imparerete anche che l'induttanza di uscita di un LM317 varia al variare della corrente di uscita, e quindi il picco di rumore considerato prima in aggiunta varia con il carico. Proprio quello che ci serviva: un generatore di rumore modulato con il segnale!
Alcuni costruttori, in particolare LFD, sono noti per far seguire a questi tipi di regolatori diversi filtri RC passa-basso. In uno stadio fono ho visto i 7812/7912 seguiti da un filtro RC con 75 Ohms e 2200uF, se ricordo correttamente. Questa configurazione dovrebbe preoccuparsi del rumore, a discapito però dell'impedenza di uscita del regolatore.
Rimettiamo in uscita il condensatore da 220uF, allora, e eseguiamo il bypass del piedino di regolazione, nel nostro caso con uno ZL da 22uF. E cosa accade? Il rumore si riduce di un ordine di grandezza con circa 20dB. Molto molto meglio, anche se con le cuffie queste tensioni producono un certo "ruggito".
Potrebbe esserci ancora un picco di rumore? Togliamo nuovamente il condensatore da 220uF, e colleghiamo il terribile ZA da 4.7uF. Il risultato? Guardate sopra: il picco è quasi sparito, e si è spostato in frequenza fino ad arrivare ad oltre i 20kHz. In queste condizioni, il nostro 317 adesso si comporta quasi come il 337.
Infine le misurazioni in un caso particolare: entrambi i regolatori hanno il loro piedino di taratura in bypass, ma non sono presenti condensatori in uscita. Il 317 riesce a contenere il rumore a bassi livelli, ma nel 337 il livello del rumore diventa altissimo.
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Traduzione: Fabio Egizi