Вимірювання вихідного шуму LDO-стабілізатора: технологія і особливості

1. Блок-діаграма схеми вимірювання рівня шумів
2. Власні шуми системи вимірювання
3. Підсилювач
4. розділовий конденсатор
5. Джерело живлення
6. екранування
7. Вибір навантаження для випробуваного стабілізатора
8. Як обробляти результати вимірювань
9. Вимір рівня шумів в реальних додатках
10. Оцінка рівня шуму передсерійних зразків
11. Порядок складання випробувального стенду
12. LP5907 - недорогий малошумящий LDO-перетворювач
13. Про компанію Texas Instruments

LDO-стабілізатор, аналізатор спектру, ізолюючий металевий ящик, тестова резистивная навантаження, розділовий конденсатор, шість розрахункових формул з даної статті - ось що знадобиться для вимірювання шумових характеристик перетворювача напруги відповідно до рекомендацій інженерів компанії Texas Instruments.

Вимірювання шумових характеристик - складне завдання. При її вирішенні слід велику увагу приділяти організації випробувального стенду і налаштувань аналізатора спектра. Лінійні стабілізатори з низьким падінням напруги (Low-dropout regulators, LDO) призначені для перетворення високої вхідної напруги в низьке вихідний. На відміну від імпульсних регуляторів, стабілізатори дуже прості у використанні і не створюють високого рівня шумів. З цієї причини для збереження високого ККД використовують імпульсні регулятори, а після них поміщають LDO-стабілізатори, які фільтрують вихідна напруга живлення.

Шум - це фізичне явище, джерелами якого є резистори і транзистори, що використовуються в схемі. Найбільш значний внесок у власний вихідний шум LDO вносить бандгап - ІОН з використанням напруги ширини забороненої зони [1]. Саме тому в малошумливих LDO присутній додатковий висновок NR (noise reduction), до якого підключається зовнішній конденсатор. Цей конденсатор разом з інтегрованим резистором утворюють НЧ-фільтр, який мінімізує шум внутрішнього ІОН. Однак така додаткова ємність не тільки фільтрує шум, але і збільшує час включення ІОН і LDO.

На рівень власного шуму стабілізатора мало впливають такі фактори як вхідна напруга, ємність вихідного конденсатора, навантаження струм. Шум може бути знижений, якщо між входом і виходом регулятора буде підключений конденсатор за умови, що регулятор не працює в режимі одиничного посилення, [2]. Такий конденсатор називається прохідним (feed-forward cap, CFF). Для високих частот він являє собою коротке замикання і запобігає посилення вхідного шуму підсилювачем неузгодженості, а отже - зменшує коефіцієнт посилення LDO. Даний конденсатор також збільшує час включення стабілізатора.

Шумові характеристики в документації представляють двома способами: або у вигляді графіка залежності спектральної щільності шуму (мкВ / √Гц) від частоти, або за допомогою вказівки величини середньоквадратичного рівня шуму RMS. RMS дорівнює результату інтегрування спектральної щільності шуму на заданому частотному діапазоні 0,01 ... 100 кГц або 0,1 ... 100 кГц. Така характеристика дозволяє порівнювати рівні шумів різних стабілізаторів з урахуванням діапазону частот, що використовується в конкретному додатку. У більшості випадків в документації наводиться значення середньоквадратичного шуму в схемах з одиничним посиленням. Це пов'язано з тим, що він, як правило, пропорційний коефіцієнту посилення. Тобто, знаючи значення рівня шуму при одиничному посиленні, легко розрахувати шуми в конкретному додатку. З цієї причини при порівнянні різних стабілізаторів важливо оцінювати значення середньоквадратичних шумів при заданому значенні вихідної напруги, яке планується використовувати в додатку.

Блок-діаграма схеми вимірювання рівня шумів

Розглянемо схему вимірювання рівня шумів, блок-діаграма якої представлена ​​на малюнку 1. Харчування модуля, що тестується проводиться за допомогою додаткового джерела. Сам модуль являє собою друковану плату з розміщеним на ній стабілізатором LDO.

Мал. 1. Блок-діаграма схеми вимірювання рівня шумів

Додатковий вхідний стабілізатор і фільтр, включені перед тестованим LDO, є опціональними і використовуються для фільтрації перешкод від джерела живлення. Розділовий конденсатор необхідний для того, щоб передавати в вимірювальну частину схеми тільки змінний сигнал. Підсилювач також є опціональним і використовується для підвищення точності вимірювань, проведених аналізатором спектру. Він потрібен тільки в разі, коли рівень власних шумів аналізатора має занадто високе значення в порівнянні з очікуваним рівнем шумів стабілізатора.

Перед початком вимірювань слід переконатися, що використовуваний аналізатор спектру має відповідне дозвіл. Ширина його смугового фільтра повинна бути в десять разів менше, ніж значення досліджуваної частоти. Чим менше досліджувана смуга частот - тим вищий дозвіл ви отримаєте. Однак занадто вузький діапазон збільшить час випробувань.

Багато аналізатори мають автоматичну функцію "AUTO", що дозволяє мінімізувати загальний час вимірювань. Вона збільшує ширину спектра фільтра при збільшенні досліджуваної частоти. В цьому випадку необхідно задати кордону можливості автоподстройки діапазону досліджуваних частот. Виведений на екран аналізатора діапазон частот повинен збігатися з досліджуваним спектром. Так як амплітуда шумів приймає випадкове значення, необхідно користуватися функцією усереднення, яка виробляє множинні вимірювання і усереднює результати. Варто відзначити, що мається на увазі не усереднення всіх відліків, а тільки відліків для кожної частотної точки. Зазвичай число відліків для усереднення задають в діапазоні від 25 до 50.

Власні шуми системи вимірювання

Будь-яке вимірювальне обладнання має обмеження в роздільної здатності. Для аналізатора спектра поріг чутливості визначається наявністю власного шуму. Будь-який сигнал, що знаходиться нижче цього шумового порогу, не може бути виміряна. Якщо вихідний шум досліджуваного стабілізатора близький до значення власного шуму аналізатора, то необхідно додатково підсилити вихідний сигнал LDO. При цьому варто пам'ятати, що щільність шуму від декількох джерел розраховується як сума квадратів кожного з них (формула 1):

(1)

При проведенні випробувань слід враховувати додаткові джерела перешкод, в тому числі - власний шум аналізатора спектра, а також зовнішні джерела шуму, що знаходяться в лабораторії. Однак в даному випадку не потрібно їх розглядати окремо. Їх можна врахувати у вигляді загального ефективного шумового фону (effective noise floor, NNF). Він визначає мінімальний рівень шуму, який може бути визначений в даній лабораторії.

Щоб оцінити рівень фонового шуму для ваших випробувань, слід провести імітацію вимірювань, як можна більш близьку до реальності, але без підключення тестованого блоку. Після того як рівень фонового шуму виміряно, його потрібно порівняти з очікуваним рівнем шуму від досліджуваного пристрою, щоб переконається, що результати вимірів не будуть спотворені. У загальному випадку для успішного проведення вимірювань необхідно, щоб щільність шуму модуля, що тестується була в десять разів більше шумового фону. Це дозволить звести погрішність до рівня 0,5%. Формули 2 і 3 дозволяють оцінити похибка, що вноситься фоновим шумом, і визначити, чи є вона допустимої в конкретному випадку.

(2)

де NOUT це щільність шуму стабілізатора LDO, NNF - рівень фонового шуму, а x - коефіцієнт пропорційності.

(3)

Підсилювач

Якщо рівень шумів вашого аналізатора спектра вносить неприйнятно велику погрішність в вимірювання, то у вас залишається два шляхи: або купувати більш якісний аналізатор спектру, або використовувати неінвертуючий швидкодіючий і малошумний підсилювач. Другий шлях зажадає більше часу для виконання. При цьому доведеться вибирати відповідний операційний підсилювач (ОУ), розводити і виготовляти друковану плату, виконувати монтаж компонентів. Однак це набагато більш бюджетний варіант, ніж купувати дорогий вимірювальний прилад.

Якщо прийнято рішення використовувати підсилювач - необхідно переконатися, що його гранична частота пропускання (gain bandwidth product, GBP) відповідає вимогам, що пред'являються до частотним характеристикам. В ідеалі значення коефіцієнта посилення повинно бути постійним у всьому досліджуваному діапазоні частот. Нехай, наприклад, для мінімізації впливу шумового фону від аналізатора спектра потрібно отримати посилення порядку 40 дБ (100 В / В) в діапазоні до 10 МГц. В такому випадку ОУ повинен мати частоту пропускання як мінімум 1 ГГц. Якщо вдалося знайти такий підсилювач - можна просто ділити амплітуду виміряних сигналів на його коефіцієнт посилення. Якщо ж частотна залежність коефіцієнта підсилення має спад, то потрібно визначити його значення для кожної частотної точки, а потім використовувати їх в розрахунках.

Власний вхідний шум ОУ повинен бути якомога менше, так як він також посилюється. В іншому випадку використання підсилювача буде безглуздо.

Ще одним джерелом шуму буде резистор зворотного зв'язку, що задає коефіцієнт посилення. Він генерує теплової шум, пропорційний квадратному кореню від величини його опору. Тому слід вибирати якомога більш низьке значення опір. Однак воно не повинно призводити до струмового перевантаження виходу ОУ. При цьому варто пам'ятати, що вихід ОУ, крім того, навантажений і на вхід аналізатора спектра.

розділовий конденсатор

Більшість аналізаторів спектра має 50-омні входи, які не призначені для значних струмів. Щоб їх захистити, необхідно збільшити їх вхідний імпеданс. Деякі виробники пропонують високоімпедансних активні щупи, проте вони самі по собі є джерелами шуму. Найбільш підходящим способом отримання високого вхідного імпедансу буде включення розділового конденсатора.

Зазвичай конденсатори використовуються для розв'язки сигналів, при цьому один висновок підключається до сигнальної лінії, а другий підключається на землю. У разі ідеального конденсатора з нескінченної ємністю при такому включенні постійна частина сигналу проходить в навантаження без спотворень, а для ВЧ-сигналів конденсатор являє собою коротке замикання на землю. Якщо ж один висновок конденсатора підключити до виходу стабілізатора, а інший - до точки вимірювання, то блокуватися буде постійна складова, а змінна частина сигналу буде проходити без спотворень. У нашому випадку постійна складова - це номінальна вихідна напруга стабілізатора, а змінна - його шуми, які ми і хочемо виміряти.

Так як розділовий конденсатор має кінцеву ємність, то він є ВЧ-фільтром з частотою зрізу (fc), яка обернено пропорційна ємності конденсатора і вхідного опору аналізатора спектра. З огляду на, що імпеданс аналізатора спектра має фіксоване значення 50 Ом, отримуємо, що частота зрізу визначається ємністю розділового конденсатора. Формула 4 може бути використана для визначення ємності розв'язує конденсатора при заданій частоті зрізу:

(4)

Так як частота зрізу - це частота, при якій фільтр починає послаблювати вхідний сигнал на 3 дБ, то її значення слід брати на порядок менше, ніж найменша з досліджуваних частот. Наприклад, якщо потрібні точні вимірювання на частотах від 10 Гц, то, з урахуванням вхідного опору аналізатора 50 Ом, необхідно буде використовувати конденсатор більше 3 мФ. При цьому не можна забувати про похибки номіналу конденсатора, про граничні значення напружень та температур для досліджуваних діапазонів частот, тим більше, якщо передбачається проводити випробування при температурі, відмінній від кімнатної. На малюнку 2 зображений наш перший розділовий конденсатор, який використовується для вимірювань в діапазоні частот від 10 Гц. Ми просто застосували паралельне включення безлічі конденсаторів на макетної платі. Цей варіант виявився робочим для вимірювання малих рівнів шумів LDO, однак навколишній шум створював безліч проблем.

На малюнку 3 показана пізніша версія розділового конденсатора з захисним екрануванням. Він забезпечений мініатюрними соединителями (SMA), за допомогою яких конденсатор може бути підключений за допомогою екранованих кабелів. Це дозволяє мінімізувати вплив зовнішніх фонових шумів.

Джерело живлення

Перешкоди можуть проникати в вимірювальну частину схеми від джерела живлення. Вони проходять по провідникам харчування стабілізатора і ОУ. З цієї причини слід використовувати акумуляторне харчування. Однак це проблематично при тестуванні LDO з великим вихідним струмом. Крім того, акумулятор може зажадати додаткового перетворювача напруги.

Стаціонарні джерела живлення широко поширені завдяки тому, що мають регульовану вихідну напругу, яка не зменшується при розряді, на відміну від батарей. Їх основним недоліком є ​​високий рівень вихідних шумів.

Частотна залежність щільності шуму вихідної напруги стаціонарних блоків живлення має значні піки на частотах роботи мережі живлення (50 або 60 Гц), а також на частоті роботи імпульсного регулятора. Звичайно, деякі джерела використовують лінійну стабілізацію, але більшість все ж побудовано з використанням імпульсних регуляторів. З цієї причини необхідно враховувати наявність піків на робочих частотах перемикання і на їх гармоніках.

Є два способи зменшення шумів по ланцюгах харчування. Перший полягає у використанні простий пасивної фільтрації: створюється пасивний НЧ-фільтр з частотою зрізу нижче частоти живильної мережі. Такий фільтр буде мати значні розміри через великих габаритів використовуваних индуктивностей і ємностей. Другий спосіб боротьби з перешкодами по ланцюгах харчування полягає у використанні в якості фільтра стабілізаторів з високим значенням коефіцієнта придушення пульсацій напруги живлення (high-power supply rejection ratio, PSRR). Це більш компактне і економне рішення. Однак багато стабілізатори мають низьке значення коефіцієнта придушення на високих частотах - якраз там, де знаходяться робочі частоти імпульсних регуляторів [3]. Сімейство мікросхем-стабілізаторів TPS7A47xx буде відмінним вибором для фільтрації ВЧ-шумів завдяки низькому вихідному шуму і широкому частотному діапазону коефіцієнта придушення перешкод харчування [4]. Якщо ж відповідний стабілізатор знайти не вдалося, то слід використовувати невеликі LC-фільтри для усунення ВЧ-перешкод від імпульсних регуляторів джерел живлення.

екранування

При відсутності екранування вплив зовнішніх шумів на вимірювальну схему неминуче. Найбільш чутливими до впливу шумів виявляються кабелі і з'єднувальні дроти. Пара проводів харчування (позитивний і негативний) стає самим критичним місцем схеми, так як створює паразитний проводить контур. В результаті присутнє змінне магнітне поле наводить в цьому контурі ВЧ-перешкоди. Для того щоб їх мінімізувати, слід використовувати екрановані кабелі і коаксіальні радіочастотні роз'єми (BNC-роз'єми) або роз'єми SMA.

Якщо неможливо використовувати кабелі, то необхідно, щоб дроти живлення перебували якомога ближче один до одного. В ідеалі вони повинні бути скручені між собою для зменшення паразитного контуру.

Іншим хорошим рішенням проблеми шумів буде використання заземленого металевого ящика, в який поміщаються тестовий модуль і інші плати. Цей ящик є для них екраном і додатково захищає дроти від шумів. На малюнку 4 представлений випробувальний стенд в екранувальній ящику (на малюнку відкрита кришка). Зауважте, що дно ящика покрито непроводящей підкладкою.

Мал. 4. Схема випробувань в екранованому ящику

Вибір навантаження для випробуваного стабілізатора

Додатковим джерелом шуму в даній схемі буде навантаження стабілізатора. У багатьох автоматизованих системах вимірювань в якості навантаження використовуються різні електронні компоненти, так як їх опір може бути легко змінена. Однак вони генерують свій власний додатковий шум, що призводить до негативного впливу на якість вимірів. З цієї причини при вимірюванні шумових характеристик завжди використовується активне навантаження.

Як обробляти результати вимірювань

Більшість аналізаторів спектра виводять результати вимірювань у вигляді дБмкВ / √Гц. Необхідно привести їх до виду мкВ / √Гц. Крім того, якщо використовується підсилювач, то потрібно розділити значення вимірювань на коефіцієнт посилення. Проробивши ці дії для всіх отриманих вимірювань, можна побудувати звичний графік щільності шуму, який часто наводиться в документації на стабілізатори. Формула 5 використовується для перетворення дБмкВ / √Гц в мкв / √Гц.

(5)

Як тільки отримана спектральна щільність шуму в мкв / √Гц, стає можливим обчислення значення середньоквадратичного шуму RMS для необхідного частотного діапазону (зазвичай 0,01 ... 100 кГц або 0,1 ... 100 кГц). Для розрахунків потрібно проінтегрувати значення щільності шуму по заданому діапазону. Якщо дані приведені до вигляду мкВ / √Гц і поміщені в таблицю Microsoft Excel, то це можна зробити графічно. Спочатку складаються значення двох сусідніх частотних точок. Потім квадрат їх суми ділиться на різницю частот. Далі процес повторюється для всіх точок. Дані підсумовуються. В кінці береться квадратний корінь з результату підсумовування. Формула 6 являє перераховані кроки в математичній формі:

(6)

де Nn - спектральний шум на частоті fn, виражений в мкв / √Гц.

Вимір рівня шумів в реальних додатках

Щоб оцінити рівень шумів системи харчування в конкретному додатку, необхідно застосовувати той же джерело, що і в реальному пристрої. Це дозволить побачити реальний шум, що надходить в навантаження. Він визначається власним шумом стабілізатора і шумом джерела живлення, ослабленим тим же стабілізатором. Якщо в кінцевому пристрої передбачається застосування імпульсного регулятора напруги, то логічно його ж використовувати і в випробувальному стенді.

Під час випробувань можна використовувати окремі тестові модулі, з'єднані проводами, але краще тестувати кінцеву плату пристрою. У цьому випадку буде отримана найбільш точна картина результуючого шуму.

Щоб виміряти шум стабілізатора з високою точністю, необхідно помістити навантаження якомога ближче до випробуваної схемою. Якщо кінцевий пристрій передбачає використання BNC- або SMA-роз'ємів, то слід вдатися до невеликої виверту і розпаяти SMA-роз'єм на вхідному і вихідному конденсаторах стабілізатора. При цьому потрібно бути досить акуратним, щоб випадково не вирвати їх з плати.

Оцінка рівня шуму передсерійних зразків

Для того щоб швидко порівняти різні стабілізатори, не потрібно робити для кожного з них індивідуальні плати. Краще використовувати налагоджувальні набори для оцінки рівня шумів. Звичайно, результати, отримані з використанням налагоджувальних плат, будуть відрізнятися від результатів реальних пристроїв, так як вони мають різні паразитні складові.

Також варто пам'ятати, що для випробувань потрібно використовувати резистивную навантаження, щоб мінімізувати вплив сторонніх шумів. При цьому її слід підключати якомога ближче до загального проводу джерела живлення, щоб уникнути виникнення шумів на земляному полігоні. Значні струми на невеликому загальному полігоні землі можуть мати негативний вплив на якість вимірів. Правильне включення представлено на малюнку 5.

Мал. 5. Підключення висновків резистивного навантаження до вхідного висновку джерела живлення

Слід використовувати екрановані провідники всюди, де тільки можливо, для мінімізації проводять контурів. Якщо випробувана плата не має роз'ємів SMA або BNC на виході, слід спробувати їх розпаяти прямо на висновках вихідного конденсатора стабілізатора. Як було сказано вище, при цьому важливо бути дуже обережним, щоб не пошкодити плату.

Порядок складання випробувального стенду

• Встановіть стабілізатор на тестируемую друковану плату.
• Підключіть резистивную навантаження до виходу схеми. Другий висновок резистора підключіть до загального входу землі від джерела живлення.
• Помістіть тестируемую плату в металевий ящик або ящик з металізованим покриттям і підключіть його до спільного висновку землі джерела живлення, щоб захиститися від зовнішніх перешкод.
• Підключіть висновки стабілізатора VIN, VOUT, Venable і інші за допомогою екранованих коаксіальних кабелів.
• Підключіть один висновок розділового конденсатора до виходу схеми, а другий кінець - до входу аналізатора спектра.
• Почніть проведення випробувань.

додаткові особливості

• Переконайтеся, що рівень шумів обладнання нижче рівня шумів стабілізатора.
  • якщо рівень шуму більше шуму стабілізатора - скористайтеся малошумливим ОУ для посилення;
  • вибирайте мінімально допустимий номінал резистора зворотного зв'язку підсилювача;
  • перевірте, що коефіцієнт посилення в розглянутому діапазоні частот постійний.
• якщо ж він змінюється - враховуйте це при обробці даних;
• при обробці даних потрібно ділити значення щільності шуму в мкв / √Гц на коефіцієнт посилення підсилювача (В / В) на даній частоті.
• Розділовий конденсатор повинен мати велику ємність (3 ... 10 мФ для вимірювання на частотах від 10 Гц), щоб НЧ-шуми були ретельно відфільтровані.
• Всі з'єднання і провідники повинні мати мінімальну довжину і, якщо можливо, повинні бути екрановані, щоб мінімізувати вплив зовнішніх шумів.

література

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.

Отримання технічної информации , замовлення зразків , замовлення и доставка .

LP5907 - недорогий малошумящий LDO-перетворювач

Нове сімейство універсальних малошумливих LDO LP5907 виробництва компанії Texas Instruments включає в себе мікросхеми з безліччю варіантів фіксованого вихідної напруги з діапазону 1,2 ... 4,5 В. Сімейство LP5907 призначене для використання в чутливих до якості харчування схемах, наприклад, в радіочастотних пристроях або датчиках з точними аналоговими вимірами. Максимальний вихідний струм регулятора складає 250 мА.
До переваг мікросхеми слід віднести низький рівень шуму (Технічні характеристики LP5907:

• діапазон вхідної напруги: 2,2 ... 5,5 В;
• вихідна напруга: 1,2 ... 4,5 В;
• вихідний струм: 250 мА;
• падіння напруги: 120 мВ (тип.);
• напруга шуму: <10 мкВRMS;
• власний струм споживання: 12 мкА;
• PSRR: 82 дБ при 1 кГц;
• час старту: 80 мкс.

Високі параметри, зручний для монтажу корпус SOT-23 і низька ціна роблять LP5907 відмінним кандидатом для організації харчування в широкому спектрі пристроїв. Регулятор може використовуватися в провідних і радіочастотних датчиках, в вимірювальних та комунікаційних приладах, а також в медичному та індустріальному обладнанні.

Про компанію Texas Instruments

В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як і компанії Unitrode, Power Trend і Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ отримала доступ до постачання всієї номенклатури вироблених компанією TI компонентів, технологій та налагоджувальних засобів, а також ... читати далі