Измерение шума источника питания

Использование анализатора сигналов для измерения уровня шума источников питания, стабилизаторов и источников опорного напряжения

Steve Sandler, Charles Hymowitz, AEI Systems Inc.

Шумы источников питания, линейных стабилизаторов и источников опорного напряжения являются одной из основных причин ограничения рабочих характеристик систем, особенно в измерительных приборах и средствах связи. В приложениях, использующих аналого-цифровые преобразователи, шумы регулятора напряжения и источника опорного напряжения приводят к возникновению джиттера синхросигнала, значительно ухудшающего такие характеристики АЦП, как отношение сигнал/шум (SNR), отношение суммы сигнала, шума и искажений (SINAD) и коэффициент битовой ошибки (BER). Малошумящие усилители также страдают от фазовых шумов и эффектов модуляции, связанных с шумами источника питания.

Для измерения уровня шума источников питания и линейных стабилизаторов часто используются осциллографы. Поскольку чувствительность осциллографа относительно невысока и находится в диапазоне 2 мВ на деление, для наблюдения пульсаций и шума, нередко имеющих порядок микровольт, необходимо добавить значительное усиление по напряжению. Получить такое усиление можно с помощью малошумящего операционного усилителя или каскадной схемы из нескольких малошумящих операционных усилителей. После усилителя необходимы активные фильтры верхних и нижних частот для выделения требуемого частотного диапазона измерений, а вся схема должна быть заключена в клетку Фарадея (экран от внешних электромагнитных полей), для чего, в частности, может использоваться специальная краска. В руководствах по применению некоторых изготовителей микросхем рекомендуется схема проведения измерений, изображенная на Рисунке 1.

Рисунок 1. Для типовой схемы измерения шума с помощью осциллографа требуется малошумящий усилитель с очень большим коэффициентом усиления, активный фильтр и пиковый детектор, что делает подобную технологию слишком сложной. Кроме того, этот метод по сравнению с другими, дает меньше информации, так как не показывает соотношение частот.

Это решение имеет несколько очевидных ограничений. Во-первых, создание такой схемы требует много времени, усилий и крайней осторожности. Во-вторых, необходимый высокий коэффициент усиления часто ограничивает частотный диапазон измерений, а усилители пропускают шумы источника питания за счет конечного коэффициента подавления пульсаций питания (PSSR), делая схему чувствительной к качеству питающего ее напряжения. Кроме того, усилители вносят собственные шумы.

Наилучшие методы измерений

Анализатор сигналов Agilent N9020A (опция 503) и анализаторы спектра реального времени Tektronix RSA5103A и RSA5106A, совместно с генератором контрольных сигналов Picotest, предлагают два пути измерения уровня шума источников питания и линейных регуляторов. Эти анализаторы спектра могут измерять сигналы с частотой от 1 Гц до 3 ГГц (RSA5103A) или до 6 ГГц (RSA5106A) и имеют намного больший динамический диапазон, чем осциллографы. Оба прибора отличаются непревзойденным уровнем шумов, а по чувствительности превосходят осциллографы на порядки. Кроме того, в них предусмотрены опциональные функции пикового детектора, повышенного разрешения и усреднения результатов измерений.

Анализатор сигналов N9020A-503 может измерять шумы в частотном диапазоне 20 Гц – 3.6 ГГц, у других моделей верхняя граница достигает 26.5 ГГц. Прибор поддерживает множество методов выборки и опций анализа, включая непосредственное измерение спектра, а также фазового шума и джиттера генератора. Такие же, и еще многие другие функции могут выполнять RSA5103A и RSA5106A.

Существует два основных метода измерения шумов регуляторов напряжения и опорных источников. Первый основан на измерении фазового шума высококачественного тактового генератора, питающегося от напряжения, вырабатываемого тестируемым регулятором. Эффективным способом такого косвенного измерения является измерение фазового шума кварцевого генератора. Шум стабилизатора напряжения проявляется в виде амплитудной модуляции и интерференции с частотой генератора. Измерение фазового шума позволяет определить характерные частоты шума, которые могут наблюдаться в виде «шипов».

Рисунок 2. Измерения фазового шума (изображен шум 250 кГц от источника питания) показывают результат смешения всех частотных составляющих генератора. В этом примере к напряжению питания добавляется лишь одна частота. Результирующий сигнал проявляется в фазовом шуме генератора.

Эти «шипы» отображают как все частоты собственного шума источника питания, так и результаты смешения тактовой частоты и частот шума источника питания. В фазовый шум вносит свой вклад весь шум источника питания, увидеть который можно на общей характеристике джиттера, отображаемой непосредственно на дисплее прибора RSA. Рисунок 2 демонстрирует пример фазового шума генератора, питающегося от источника с частотой шума 250 кГц. Типичный блок питания порождает множество интерференционных сигналов, только один в этом примере показан лишь для ясности. Для того чтобы на основании этого графика фазового шума определить шум источника питания, необходимо определить значение PSSR генератора.

Рисунок 3. Прямое подключение тестируемого устройства к анализатору сигналов Agilent N9020A для измерения уровня шума позволяет проводить непосредственные частотно-зависимые измерения, отображаемые как шум или плотность шумов.

Второй метод требует непосредственных измерений на испытуемом устройстве (Рисунок 3). Для демонстрации точности и чувствительности этого метода фиксируется уровень собственных шумов типовой измерительной системы, для прямой оценки которых используется генератор контрольных сигналов Picotest J2130A, блокирующий постоянную составляющую сигнала, и предварительный усилитель Picotest J2180A. Предварительный усилитель улучшает отношение сигнал/шум примерно на 20 дБ и одновременно выполняет функцию согласования с испытуемым устройством (Рисунок 4), что очень важно, поскольку нагрузка 50 Ом может легко повлиять на результаты измерений шума.

Рисунок 4. При исследовании собственных низкочастотных шумов (с предусилителем J2180A (голубая кривая) и без него (желтая кривая)) предусилитель улучшает отношение сигнал/шум примерно на 20 дБ за счет большого коэффициента усиления и очень низкого уровня собственных шумов. Генератор контрольных сигналов Picotest J2130A используется для блокировки постоянной составляющей, поэтому она не перегружает входной каскад анализатора сигнала на выходе предусилителя.

Рисунок 5. Проверка достоверности измерений шума анализатором N9020A с использованием двух аттенюаторов J2140A только подтверждает, что измерение амплитуды выполнено правильно, путем измерения известного сигнала с очень малой амплитудой. Аттенюаторы J2140A значительно снижают уровень сигнала (до 5 мкВ с.к.з.).

Далее необходим генератор сигналов произвольной формы для получения синусоидального сигнала с частотой 1 кГц и амплитудой 50 мВ. Пара каскадируемых аттенюаторов Picotest J2140A, каждый из которых настроен на ослабление 40 дБ, включается между генератором и анализатором сигналов N9020A (Рисунок 5). Аттенюатор значительно уменьшает уровень сигнала генератора, что позволяет проверить чувствительность измерений. Результирующий сигнал, измеренный с помощью анализатора, имеет среднее значение 4.56 мкВ (эффективное значение 5.06 мкВ), которое и является истинным уровнем шума (Рисунок 6).

Рисунок 6. Инженеры могут выполнить проверку сигнала, воспользовавшись предусилителем J2180A c щупом осциллографа 1x (без делителя) и поправочным коэффициентом, учитывающим коэффициент усиления 20 дБ предусилителя. Измеренное среднее значение сигнала 4.6 мкВ на 40 дБ выше уровня шумов, составляющего 46 нВ, что замечательно согласуется с сигналом 5 мкВ, подаваемым от контрольного генератора. Коэффициент преобразования среднего значения в среднеквадратичное равен 1.1, поэтому 4.6 мкВ × 1.1 = 5.06 мкВ с.к.з.

Показав, что уровень шума измерительной установки составляет приблизительно 45 нВ, и удостоверившись в том, что средний сигнал 4.6 мкВ она измерила правильно и точно, мы можем использовать ее для прямых измерений шумов источников питания, стабилизаторов напряжения и источников опорного напряжения.

Выводы

Мы продемонстрировали два простых метода измерения шумов источников питания и опорного напряжения с использованием анализатора спектра реального времени компании Tektronix. Эти методы предоставляют значительно больше информации, чем измерения с помощью осциллографа, так как отличаются намного более высокой чувствительностью и позволяют отображать конкретные частоты, вносящие наибольший вклад в шум исследуемого устройства. Новые малошумящие активные аналоговые фильтры и широкополосные предусилители, которые скоро поступят от компании Picotest, добавят новые возможности этим методам измерений, снижая эффективные помехи, особенно заметные на частоте 60 Гц.

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

Источник

Измерение выходного шума LDO-стабилизатора: технология и особенности

LDO-стабилизатор, анализатор спектра, изолирующий металлический ящик, тестовая резистивная нагрузка, разделительный конденсатор, шесть расчетных формул из данной статьи – вот что понадобится для измерения шумовых характеристик преобразователя напряжения согласно рекомендациям инженеров компании Texas Instruments.

Измерение шумовых характеристик – сложная задача. При ее решении следует большое внимание уделять организации испытательного стенда и настройкам анализатора спектра. Линейные стабилизаторы с низким падением напряжения (Low-dropout regulators, LDO) предназначены для преобразования высокого входного напряжения в низкое выходное. В отличие от импульсных регуляторов, стабилизаторы очень просты в использовании и не создают высокого уровня шумов. По этой причине для сохранения высокого КПД используют импульсные регуляторы, а после них помещают LDO-стабилизаторы, которые фильтруют выходное напряжение питания.

Шум – это физическое явление, источниками которого являются резисторы и транзисторы, использующиеся в схеме. Наиболее значимый вклад в собственный выходной шум LDO вносит бандгап – ИОН с использованием напряжения ширины запрещенной зоны [1]. Именно поэтому в малошумящих LDO присутствует дополнительный вывод NR (noise reduction), к которому подключается внешний конденсатор. Этот конденсатор вместе с интегрированным резистором образуют НЧ-фильтр, который минимизирует шум внутреннего ИОН. Однако такая дополнительная емкость не только фильтрует шум, но и увеличивает время включения ИОН и LDO.

На уровень собственного шума стабилизатора мало влияют такие факторы как входное напряжение, емкость выходного конденсатора, нагрузочный ток. Шум может быть снижен, если между входом и выходом регулятора будет подключен конденсатор при условии, что регулятор не работает в режиме единичного усиления, [2]. Такой конденсатор называется проходным (feed-forward cap, CFF). Для высоких частот он представляет собой короткое замыкание и предотвращает усиление входного шума усилителем рассогласования, а следовательно – уменьшает коэффициент усиления LDO. Данный конденсатор также увеличивает время включения стабилизатора.

Шумовые характеристики в документации представляют двумя способами: либо в виде графика зависимости спектральной плотности шума (мкВ/√Гц) от частоты, либо с помощью указания величины среднеквадратического уровня шума RMS. RMS равен результату интегрирования спектральной плотности шума на заданном частотном диапазоне 0,01…100 кГц или 0,1…100 кГц. Такая характеристика позволяет сравнивать уровни шумов различных стабилизаторов с учетом диапазона частот, используемого в конкретном приложении. В большинстве случаев в документации приводится значение среднеквадратичного шума в схемах с единичным усилением. Это связано с тем, что он, как правило, пропорционален коэффициенту усиления. То есть, зная значение уровня шума при единичном усилении, легко рассчитать шумы в конкретном приложении. По этой причине при сравнении различных стабилизаторов важно оценивать значения среднеквадратичных шумов при заданном значении выходного напряжения, которое планируется использовать в приложении.

Блок-диаграмма схемы измерения уровня шумов

Рассмотрим схему измерения уровня шумов, блок-диаграмма которой представлена на рисунке 1. Питание тестируемого модуля производится с помощью дополнительного источника. Сам модуль представляет собой печатную плату с размещенным на ней стабилизатором LDO.

Рис. 1. Блок-диаграмма схемы измерения уровня шумов

Дополнительный входной стабилизатор и фильтр, включенные перед тестируемым LDO, являются опциональными и используются для фильтрации помех от источника питания. Разделительный конденсатор необходим для того, чтобы передавать в измерительную часть схемы только переменный сигнал. Усилитель также является опциональным и используется для повышения точности измерений, проводимых анализатором спектра. Он нужен только в случае, когда уровень собственных шумов анализатора имеет слишком высокое значение по сравнению с ожидаемым уровнем шумов стабилизатора.

Перед началом измерений следует убедиться, что используемый анализатор спектра имеет подходящее разрешение. Ширина его полосового фильтра должна быть в десять раз меньше, чем значение исследуемой частоты. Чем меньше исследуемая полоса частот – тем более высокое разрешение вы получите. Однако слишком узкий диапазон увеличит время испытаний.

Многие анализаторы имеют автоматическую функцию “AUTO”, позволяющую минимизировать общее время измерений. Она увеличивает ширину спектра фильтра при увеличении исследуемой частоты. В этом случае необходимо задать границы возможности автоподстройки диапазона исследуемых частот. Выводимый на экран анализатора диапазон частот должен совпадать с исследуемым спектром. Так как амплитуда шумов принимает случайное значение, необходимо пользоваться функцией усреднения, которая производит множественные измерения и усредняет результаты. Стоит отметить, что имеется в виду не усреднение всех отсчетов, а только отсчетов для каждой частотной точки. Обычно число отсчетов для усреднения задают в диапазоне от 25 до 50.

Собственные шумы системы измерения

Любое измерительное оборудование имеет ограничения в разрешающей способности. Для анализатора спектра порог чувствительности определяется наличием собственного шума. Любой сигнал, находящийся ниже этого шумового порога, не может быть измерен. Если выходной шум исследуемого стабилизатора близок к значению собственного шума анализатора, то необходимо дополнительно усилить выходной сигнал LDO. При этом стоит помнить, что плотность шума от нескольких источников рассчитывается как сумма квадратов каждого из них (формула 1):

При проведении испытаний следует учитывать дополнительные источники помех, в том числе – собственный шум анализатора спектра, а также внешние источники шума, находящиеся в лаборатории. Однако в данном случае не требуется их рассматривать отдельно. Их можно учесть в виде общего эффективного шумового фона (effective noise floor, NNF). Он определяет минимальный уровень шума, который может быть измерен в данной лаборатории.

Чтобы оценить уровень фонового шума для ваших испытаний, следует провести имитацию измерений, как можно более близкую к реальности, но без подключения тестируемого блока. После того как уровень фонового шума измерен, его нужно сравнить с ожидаемым уровнем шума от исследуемого устройства, чтобы убедится, что результаты измерений не будут искажены. В общем случае для успешного проведения измерений необходимо, чтобы плотность шума тестируемого модуля была в десять раз больше шумового фона. Это позволит свести погрешность до уровня 0,5%. Формулы 2 и 3 позволяют оценить погрешность, вносимую фоновым шумом, и определить, является ли она допустимой в конкретном случае.

где NOUT это плотность шума стабилизатора LDO, NNF – уровень фонового шума, а x – коэффициент пропорциональности.

Усилитель

Если уровень шумов вашего анализатора спектра вносит неприемлемо большую погрешность в измерения, то у вас остается два пути: либо покупать более качественный анализатор спектра, либо использовать неинвертирующий быстродействующий и малошумящий усилитель. Второй путь потребует больше времени для исполнения. При этом придется выбирать подходящий операционный усилитель (ОУ), разводить и изготавливать печатную плату, выполнять монтаж компонентов. Однако это гораздо более бюджетный вариант, чем покупать дорогостоящий измерительный прибор.

Если принято решение использовать усилитель – необходимо убедиться, что его граничная частота пропускания (gain bandwidth product, GBP) отвечает требованиям, предъявляемым к частотным характеристикам. В идеале значение коэффициента усиления должно быть постоянным во всем исследуемом диапазоне частот. Пусть, например, для минимизации влияния шумового фона от анализатора спектра требуется получить усиление порядка 40 дБ (100 В/В) в диапазоне до 10 МГц. В таком случае ОУ должен иметь частоту пропускания как минимум 1 ГГц. Если удалось найти такой усилитель – можно просто делить амплитуду измеренных сигналов на его коэффициент усиления. Если же частотная зависимость коэффициента усиления имеет спад, то требуется определить его значения для каждой частотной точки, а потом использовать их в расчетах.

Собственный входной шум ОУ должен быть как можно меньше, так как он также усиливается. В противном случае использование усилителя будет бессмысленно.

Еще одним источником шума будет резистор обратной связи, задающий коэффициент усиления. Он генерирует тепловой шум, пропорциональный квадратному корню от величины его сопротивления. Поэтому следует выбирать как можно более низкое значение сопротивление. Однако оно не должно приводить к токовой перегрузке выхода ОУ. При этом стоит помнить, что выход ОУ, кроме того, нагружен и на вход анализатора спектра.

Разделительный конденсатор

Большинство анализаторов спектра имеет 50-омные входы, которые не предназначены для значительных токов. Чтобы их защитить, необходимо увеличить их входной импеданс. Некоторые производители предлагают высокоимпедансные активные щупы, однако они сами по себе являются источниками шума. Наиболее подходящим способом получения высокого входного импеданса будет включение разделительного конденсатора.

Обычно конденсаторы используются для развязки сигналов, при этом один вывод подключается к сигнальной линии, а второй подключается на землю. В случае идеального конденсатора с бесконечной емкостью при таком включении постоянная часть сигнала проходит в нагрузку без искажений, а для ВЧ-сигналов конденсатор представляет собой короткое замыкание на землю. Если же один вывод конденсатора подключить к выходу стабилизатора, а другой – к точке измерения, то блокироваться будет постоянная составляющая, а переменная часть сигнала будет проходить без искажений. В нашем случае постоянная составляющая – это номинальное выходное напряжение стабилизатора, а переменная – его шумы, которые мы и хотим измерить.

Так как разделительный конденсатор имеет конечную емкость, то он является ВЧ-фильтром с частотой среза (fc), которая обратно пропорциональна емкости конденсатора и входному сопротивлению анализатора спектра. Учитывая, что импеданс анализатора спектра имеет фиксированное значение 50 Ом, получаем, что частота среза определяется емкостью разделительного конденсатора. Формула 4 может быть использована для определения емкости развязывающего конденсатора при заданной частоте среза:

Так как частота среза – это частота, при которой фильтр начинает ослаблять входной сигнал на 3 дБ, то ее значение следует брать на порядок меньше, чем наименьшая из исследуемых частот. Например, если требуются точные измерения на частотах от 10 Гц, то, с учетом входного сопротивления анализатора 50 Ом, необходимо будет использовать конденсатор более 3 мФ. При этом нельзя забывать о погрешности номинала конденсатора, о предельных значениях напряжений и температур для исследуемых диапазонов частот, тем более, если предполагается производить испытания при температуре, отличной от комнатной. На рисунке 2 изображен наш первый разделительный конденсатор, используемый для измерений в диапазоне частот от 10 Гц. Мы просто применили параллельное включение множества конденсаторов на макетной плате. Этот вариант оказался рабочим для измерения малых уровней шумов LDO, однако окружающий шум создавал множество проблем.

На рисунке 3 показана более поздняя версия разделительного конденсатора с защитным экранированием. Он снабжен миниатюрными соединителями (SMA), с помощью которых конденсатор может быть подключен посредством экранированных кабелей. Это позволяет минимизировать воздействие внешних фоновых шумов.

Рис. 2. Наш первый разделительный конденсатор емкостью 4000 мкФ для измерения шумовых характеристик Рис. 3. Экранированный разделительный конденсатор емкостью 5100 мкФ для измерения
низкоуровневых шумов

Источник питания

Помехи могут проникать в измерительную часть схемы от источника питания. Они проходят по проводникам питания стабилизатора и ОУ. По этой причине следует использовать аккумуляторное питание. Однако это проблематично при тестировании LDO с большим выходным током. Кроме того, аккумулятор может потребовать дополнительного преобразователя напряжения.

Стационарные источники питания широко распространены благодаря тому, что имеют регулируемое выходное напряжение, которое не уменьшается при разряде, в отличие от батарей. Их основным недостатком является высокий уровень выходных шумов.

Частотная зависимость плотности шума выходного напряжения стационарных блоков питания имеет значительные пики на частотах работы питающей сети (50 или 60 Гц), а также на частоте работы импульсного регулятора. Конечно, некоторые источники используют линейную стабилизацию, но большинство все же построено с использованием импульсных регуляторов. По этой причине необходимо учитывать наличие пиков на рабочих частотах переключения и на их гармониках.

Есть два способа уменьшения шумов по цепям питания. Первый заключается в использовании простой пассивной фильтрации: создается пассивный НЧ-фильтр с частотой среза ниже частоты питающей сети. Такой фильтр будет иметь значительные размеры из-за больших габаритов используемых индуктивностей и емкостей. Второй способ борьбы с помехами по цепям питания заключается в использовании в качестве фильтра стабилизаторов с высоким значением коэффициента подавления пульсаций напряжения питания (high-power supply rejection ratio, PSRR). Это более компактное и экономное решение. Однако многие стабилизаторы имеют низкое значение коэффициента подавления на высоких частотах – как раз там, где находятся рабочие частоты импульсных регуляторов [3]. Семейство микросхем-стабилизаторов TPS7A47xx будет отличным выбором для фильтрации ВЧ-шумов благодаря низкому выходному шуму и широкому частотному диапазону коэффициента подавления помех питания [4]. Если же подходящий стабилизатор найти не удалось, то следует использовать небольшие LC-фильтры для устранения ВЧ-помех от импульсных регуляторов источников питания.

Экранирование

При отсутствии экранирования влияние внешних шумов на измерительную схему неизбежно. Наиболее чувствительными к воздействию шумов оказываются кабели и соединительные провода. Пара проводов питания (положительный и отрицательный) становится самым критичным местом схемы, так как создает паразитный проводящий контур. В итоге присутствующее переменное магнитное поле наводит в этом контуре ВЧ-помехи. Для того чтобы их минимизировать, следует использовать экранированные кабели и коаксиальные радиочастотные разъемы (BNC-разъемы) или разъемы SMA.

Если невозможно использовать экранированные кабели, то необходимо, чтобы провода питания находились как можно ближе друг к другу. В идеале они должны быть скручены между собой для уменьшения паразитного контура.

Другим хорошим решением проблемы шумов будет использование заземленного металлического ящика, в который помещаются тестируемый модуль и другие платы. Этот ящик является для них экраном и дополнительно защищает провода от шумов. На рисунке 4 представлен испытательный стенд в экранирующем ящике (на рисунке открыта крышка). Заметьте, что дно ящика покрыто непроводящей подложкой.

Рис. 4. Схема испытаний в экранированном ящике

Выбор нагрузки для испытуемого стабилизатора

Дополнительным источником шума в рассматриваемой схеме будет нагрузка стабилизатора. Во многих автоматизированных системах измерений в качестве нагрузки используются различные электронные компоненты, так как их сопротивление может быть легко изменено. Однако они генерируют свой собственный дополнительный шум, что приводит к негативному влиянию на качество измерений. По этой причине при измерении шумовых характеристик всегда используется активная нагрузка.

Как обрабатывать результаты измерений

Большинство анализаторов спектра выводят результаты измерений в виде дБмкВ/√Гц. Необходимо привести их к виду мкВ/√Гц. Кроме того, если используется усилитель, то требуется разделить значение измерений на коэффициент усиления. Проделав эти действия для всех полученных измерений, можно построить привычный график плотности шума, который часто приводится в документации на стабилизаторы. Формула 5 используется для преобразования дБмкВ/√Гц в мкВ/√Гц.

Как только получена спектральная плотность шума в мкВ/√Гц, становится возможным вычисление значения среднеквадратичного шума RMS для требуемого частотного диапазона (обычно 0,01…100 кГц или 0,1…100 кГц). Для расчетов требуется проинтегрировать значение плотности шума по заданному диапазону. Если данные приведены к виду мкВ/√Гц и помещены в таблицу Microsoft Excel, то это можно сделать графически. Вначале складываются значения двух соседних частотных точек. Затем квадрат их суммы делится на разницу частот. Далее процесс повторяется для всех точек. Данные суммируются. В конце берется квадратный корень из результата суммирования. Формула 6 представляет перечисленные шаги в математической форме:

где Nn – спектральный шум на частоте fn, выраженный в мкВ/√Гц.

Измерение уровня шумов в реальных приложениях

Чтобы оценить уровень шумов системы питания в конкретном приложении, необходимо применять тот же источник, что и в реальном устройстве. Это позволит увидеть реальный шум, поступающий в нагрузку. Он определяется собственным шумом стабилизатора и шумом источника питания, ослабленным тем же стабилизатором. Если в конечном устройстве предполагается применение импульсного регулятора напряжения, то логично его же использовать и в испытательном стенде.

Во время испытаний можно использовать отдельные тестовые модули, соединенные проводами, но лучше тестировать конечную плату устройства. В этом случае будет получена наиболее точная картина результирующего шума.

Чтобы измерить шум стабилизатора с высокой точностью, необходимо поместить нагрузку как можно ближе к испытуемой схеме. Если конечное устройство не предполагает использование BNC- или SMA-разъемов, то следует прибегнуть к небольшой уловке и распаять SMA-разъем на входном и выходном конденсаторах стабилизатора. При этом нужно быть достаточно аккуратным, чтобы случайно не вырвать их из платы.

Оценка уровня шума предсерийных образцов

Для того чтобы быстро сравнить различные стабилизаторы, не нужно делать для каждого из них индивидуальные платы. Лучше использовать отладочные наборы для оценки уровня шумов. Конечно, результаты, полученные с использованием отладочных плат, будут отличаться от результатов реальных устройств, так как они имеют различные паразитные составляющие.

Также стоит помнить, что для испытаний нужно использовать резистивную нагрузку, чтобы минимизировать влияние посторонних шумов. При этом ее следует подключать как можно ближе к общему проводу источника питания, чтобы избежать возникновения шумов на земляном полигоне. Значительные токи на небольшом общем полигоне земли могут оказать негативное влияние на качество измерений. Правильное включение представлено на рисунке 5.

Рис. 5. Подключение выводов резистивной нагрузки к входному выводу источника питания

Следует использовать экранированные проводники везде, где только возможно, для минимизации проводящих контуров. Если испытуемая плата не имеет разъемов SMA или BNC на выходе, следует попробовать их распаять прямо на выводах выходного конденсатора стабилизатора. Как было сказано выше, при этом важно быть очень осторожным, чтобы не повредить плату.

Порядок сборки испытательного стенда

  • Установите стабилизатор на тестируемую печатную плату.
  • Подключите резистивную нагрузку к выходу схемы. Второй вывод резистора подключите к общему входу земли от источника питания.
  • Поместите тестируемую плату в металлический ящик или ящик с металлизированным покрытием и подключите его к общему выводу земли источника питания, чтобы защититься от внешних помех.
  • Подключите выводы стабилизатора VIN, VOUT, Venable и другие с помощью экранированных коаксиальных кабелей.
  • Подключите один вывод разделительного конденсатора к выходу схемы, а второй конец – ко входу анализатора спектра.
  • Начните проведение испытаний.

Дополнительные особенности

  • Убедитесь, что уровень шумов оборудования ниже уровня шумов стабилизатора.
    • если уровень шума больше шума стабилизатора – воспользуйтесь малошумящим ОУ для усиления;
    • выбирайте минимально допустимый номинал резистора обратной связи усилителя;
    • проверьте, что коэффициент усиления в рассматриваемом диапазоне частот постоянен.
  • если же он меняется – учитывайте это при обработке данных;
  • при обработке данных требуется делить значения плотности шума в мкВ/√Гц на коэффициент усиления усилителя (В/В) на данной частоте.
  • Разделительный конденсатор должен иметь большую емкость (3…10 мФ для измерения на частотах от 10 Гц), чтобы НЧ-шумы были тщательно отфильтрованы.
  • Все соединения и проводники должны иметь минимальную длину и, если возможно, должны быть экранированы, чтобы минимизировать влияние внешних шумов.

Литература

  1. John C. Teel. Understanding Noise in Linear Regulators, Texas Instruments Analog Applications Journal (slyt201), 2Q 2005.
  2. Masashi Nogawa. LDO Noise Examined in Detail, Texas Instruments Analog Applications Journal (slyt489), 4Q 2012.
  3. Masashi Nogawa and Kyle Van Renterghem. Wide Bandwidth PSRR of LDOs, Bodo’s Power Systems, pp. 46…49, Mar 2011.
  4. Product Folders: TPS7A47, TPS7A35, TPS7A83.

LP5907 — недорогой малошумящий LDO-преобразователь

Новое семейство универсальных малошумящих LDO LP5907 производства компании Texas Instruments включает в себя микросхемы с множеством вариантов фиксированного выходного напряжения из диапазона 1,2…4,5 В. Семейство LP5907 предназначено для использования в чувствительных к качеству питания схемах, например, в радиочастотных устройствах или датчиках с точными аналоговыми измерениями. Максимальный выходной ток регулятора составляет 250 мА.
К достоинствам микросхемы следует отнести низкий уровень шума ( Технические характеристики LP5907:

  • диапазон входного напряжения: 2,2…5,5 В;
  • выходное напряжение: 1,2…4,5 В;
  • выходной ток: 250 мА;
  • падение напряжения: 120 мВ (тип.);
  • напряжение шума:

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector