Измерение выходного шума LDO-стабилизатора: технология и особенности

26 мая 2016

управление питаниемTexas Instrumentsстатья

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

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):

form_1m (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.

form_2m (2)

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

form_3m (3)

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:

form_4m (4)

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 конден- сатор емкостью 4000 мкФ для измерения шумовых характеристик Рис. 3. Экранированный разделительный конденсатор емкостью 5100 мкФ для измерения низкоуровневых 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

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.

form_5m (5)

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:

form_6m (6)

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

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.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

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: <10 мкВRMS;
  • собственный ток потребления: 12 мкА;
  • PSRR: 82 дБ при 1 кГц;
  • время старта: 80 мкс.

Высокие параметры, удобный для монтажа корпус SOT-23 и низкая цена делают LP5907 отличным кандидатом для организации питания в широком спектре устройств. Регулятор может использоваться в проводных и радиочастотных датчиках, в измерительных и коммуникационных приборах, а также в медицинском и индустриальном оборудовании.

TI_LDO_NE_05_16

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее