Как измерить уровень шума LDO-регулятора

Кайл Ван Рентерхем (Kyle Van Renterghem)

Поскольку измерение уровня шума является достаточно сложной задачей, перед выполнением измерений следует тщательно настроить конфигурацию анализатора и оборудование.

Регуляторы с низким падением напряжения (LDO) используются для преобразования высокого входного напряжения в более низкое выходное. В отличие от импульсных регуляторов, LDO просты в использовании и не создают сильного коммутационного шума. Во многих системах применяются оба прибора — импульсный регулятор преобразует один уровень напряжения в другой, а LDO фильтрует и очищает преобразованное напряжение, которое затем подаётся на устройства-потребители.

Аппаратный шум — это физическое явление, обусловленное наличием в схеме резисторов и транзисторов. Основным генератором шума в LDO является ИОН — источник опорного напряжения (bandgap) [1]. Именно поэтому в малошумящих LDO имеется вывод шумоподавления, позволяющий отфильтровывать создаваемый этим источником шум с помощью внешнего конденсатора, нередко называемого конденсатором снижения шума. Пользователь обязан подключить к упомянутому выводу конденсатор. Сочетание этого конденсатора с высокоомным внутренним резистором создаёт низкочастотный фильтр. Помимо уменьшения шума ИОН, конденсатор также замедляет нарастание напряжения ИОН (и, как следствие, выходного напряжения) при запуске устройства.

Входное напряжение, выходной конденсатор и ток нагрузки не оказывают существенного влияния на конечный уровень шумов LDO. Уменьшить уровень шума можно, подключив конденсатор от выхода LDO к цепи обратной связи (при условии, что устройство не используется в схеме единичного усиления) [2]. Такой конденсатор называют конденсатором прямой связи (CFF). На высоких частотах этот конденсатор фактически работает в режиме короткого замыкания, уменьшая уровень усиления LDO и предотвращая усиление высокочастотного шума усилителем ошибки. Как и конденсатор снижения шума, CFF увеличивает время запуска устройства.

В перечнях технических данных шумовые характеристики зачастую отображаются двумя различными способами:

  1. Графиком спектральной плотности шумов (в мкВ/√Гц) в зависимости от частоты.
  2. Отдельной строкой в таблице электрических характеристик, указывающей среднеквадратичное (RMS) значение напряжения шумов в микровольтах.

Среднеквадратичное напряжение шумов равно спектральной плотности шума, интегрированной по определённому диапазону частот (обычно 10 Гц — 100 кГц или 100 Гц — 100 кГц). Такой подход позволяет быстро сравнить шумовые характеристики различных LDO при условии, что диапазон частот соответствует вашему случаю. В большинстве перечней технических характеристик среднеквадратичное значение шума указывается для LDO в схеме единичного усиления, поскольку шум на выходе, как правило, пропорционален усилению. Поэтому если вы знаете среднеквадратичное напряжение шумов для схемы единичного усиления и собственно значение усиления, необходимое для получения требуемого выходного напряжения, то сможете легко рассчитать среднеквадратичную величину напряжения шумов. Сравнение характеристик LDO в части среднеквадратичной величины шумов следует проводить для фактического уровня выходного напряжения, которое планируется использовать в системе.

Блок-схема измерения шумов

Блок-схема на рисунке 1 отображает конфигурацию оборудования для измерения шумов, которую мы подробно обсудим ниже. Источник питания подаёт энергию на модуль оценки (EVM), представляющий собой печатную плату (PCB), на которой размещён LDO.

 Блок-схема конфигурации оборудования для измерения шумов

Рисунок 1. Блок-схема конфигурации оборудования для измерения шумов

Далее следует собственно LDO или опциональный фильтр, устанавливаемый перед LDO. Этот фильтр уменьшает уровень шума от источника питания. Конденсатор связи по переменному току позволяет передавать в последующую часть схемы только сигнал переменного тока. Дополнительный усилитель позволяет облегчить измерение сигнала анализатором спектра. Усилитель необходим только в том случае, если пороговый уровень собственного шума анализатора (то есть шум, измеренный без подключения EVM), слишком велик относительно уровня выходного шума LDO.

Убедитесь в том, что разрешение по полосе пропускания (RBW), задаваемое шириной полосового фильтра анализатора спектра, как минимум на декаду меньше измеряемой частоты. Чем меньше RBW, тем большее разрешение будет иметь отображение конкретной частоты. Однако при уменьшении RBW также возрастает и время выполнения измерений. Многие анализаторы снабжены автоматической функцией, увеличивающей RBW по мере возрастания частоты, дабы уменьшить общую продолжительность измерений. Для более эффективной работы этой функции, возможно, потребуется задать минимальное или максимальное значение RBW. Полоса частот видеосигнала (VBW) задаёт величину сглаживания на экране. Как правило, она устанавливается равной RBW.

Наконец, поскольку мы измеряем шум, величина которого меняется в зависимости от некоторых характеристик самого шума, необходимо использовать встроенную в анализатор функцию усреднения, которая выполняет несколько измерений в каждой точке и вычисляет средний результат. Обратите внимание — это не скользящее среднее, при котором выполняется усреднение значений в смежных точках, а среднее значение по нескольким измерениям на каждой из частот. Обычно мы устанавливаем значение усреднения в промежутке от 25 до 50.

Пороговый уровень шумов

Всё измерительное оборудование имеет конечное разрешение. Это ограничение для анализатора спектра зачастую называют пороговым уровнем шумов. Сигналы, величина которых меньше этого уровня, анализатором не распознаются. Если величина шума LDO близка к пороговому уровню анализатора, то необходимо усилить выходные значения LDO, дабы корректно измерить выходной шум устройства. Помните, что плотность шума при нескольких источниках последнего рассчитывается как квадратный корень из суммы квадратов источников шумов (1):

Формула

При измерении шумов необходимо учитывать и другие источники шума, включая собственный шум анализатора спектра, а также внешние шумы, присутствующие в лаборатории. Однако можно объединить все эти источники, получив в итоге эффективный пороговый уровень шума (NNF). Это минимальный уровень шума, который можно измерить на вашем оборудовании в вашей лаборатории.

Чтобы рассчитать пороговый уровень шума для проводимого измерения, постарайтесь как можно точнее отразить фактическую схему оборудования, без учёта тестируемого устройства. После того как пороговый уровень шума для оборудования рассчитан, сравните полученное значение с расчётным уровнем шума тестируемого устройства (NDUT), дабы удостовериться в том, что его можно измерить корректно. Общее правило заключается в следующем: плотность шума проверяемого устройства должна превышать пороговый уровень шума для испытательного оборудования в десять раз. При этом влияние порога на результат измерений составит приблизительно 0,5%. Уравнения 2 и 3 используются для определения процента погрешности из-за порогового уровня шумов. Таким образом, вы можете рассчитать приемлемый вариант для ваших условий.

Формула

где NOUT — плотность шума LDO, NNF — пороговый уровень шума, x = NOUT / NNF

Формула

Усилитель

Если пороговый уровень шума анализатора спектра слишком высок и приводит к неприемлемой величине погрешности, можно:

а) приобрести анализатор спектра с более высокими характеристиками или

б) приобрести малошумный высокоскоростной усилитель и создать с его помощью неинвертирующую схему усиления. Реализация второго варианта может занять больше времени. Необходимо также выбрать подходящий операционный усилитель, сконструировать печатную плату, изготовить и собрать её. Однако данный вариант будет существенно дешевле покупки испытательного оборудования с высокими характеристиками.

Если вы решили использовать усилитель — убедитесь в том, что величина произведения коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP) соответствует вашим потребностям. В идеале коэффициент усиления должен быть равномерным по всему диапазону частот, в котором вы планируете измерять уровень выходного шума. К примеру, если вам необходим коэффициент усиления в 40 дБ (100 В/В) для достаточного превышения порогового уровня шума анализатора, а верхняя граница диапазона частот составляет 10 МГц, то GBP операционного усилителя должно быть не меньше 1 ГГц. Если у вас есть возможность получить такой усилитель, то можно просто разделить полученные результаты на коэффициент его усиления. С другой стороны, если ваш усилитель демонстрирует спад на высоких частотах, то можно измерить его коэффициент усиления на каждой частоте и затем разделить результаты измерений в каждой точке на коэффициент усиления для соответствующей частоты.

Входной шум операционного усилителя должен быть как можно меньше, поскольку он усиливается за счёт усиления самой цепи. Не позволяйте собственному шуму усилителя создавать помехи для сигнала LDO, иначе усилитель будет бесполезен. Ещё одним источником шумов являются резисторы, используемые для установки коэффициента усиления неин-вертирующего усилителя. Резисторы создают термический шум, пропорциональный квадратному корню их сопротивления. Поэтому следует выбирать минимальные значения сопротивления, при которых не произойдёт перегрузки усилителя. Учтите также, что усилитель должен также обеспечивать работу на входное сопротивление анализатора спектра.

Конденсатор связи по переменному току

Большинство анализаторов спектра снабжены 50-Ом входными клеммами и не рассчитаны на большие токи. Чтобы предотвратить их повреждение, необходимо повысить сопротивление входных цепей. Некоторые производители предлагают активные зонды с высоким полным сопротивлением. Однако они вносят в измерения свой собственный шум, поскольку являются активными компонентами. Более удобным способом создания входа с высоким полным сопротивлением является использование конденсатора связи по переменному току. Обычно конденсаторы используются в шунтирующих конфигурациях — одна клемма подключена к нужному сигналу, а другая — к заземлению. Если рассматривать в такой конфигурации идеальный конденсатор с бесконечной ёмкостью, то сигнал постоянного тока будет проходить дальше по цепи, а сигнал переменного тока будет замкнут на землю. Однако если подключить одну клемму конденсатора к выходу LDO, а другую — к месту выполнения измерений, то конденсатор будет блокировать сигнал постоянного тока, пропуская сигнал переменного тока. Отсюда и название конденсатора. В нашем случае постоянный ток — это номинальное выходное напряжение, а переменный ток — это сигнал напряжения шумов, который мы и хотим измерить.

Поскольку конденсатор связи по переменному току имеет конечную ёмкость, то создаётся высокочастотный фильтр, который глушит сигналы ниже своей частоты отсечки (fc).

Частота отсечки обратно пропорциональна произведению ёмкости конденсатора связи и сопротивления входной клеммы анализатора спектра. Поскольку сопротивление анализатора является фиксированным значением, обычно 50 Ом, то ёмкость конденсатора связи задаёт минимальную измеряемую частоту. Уравнение 4 можно использовать для расчёта ёмкости конденсатора связи по переменному току:

Формула

Поскольку частота отсечки представляет собой точку, в которой фильтр уже глушит сигнал на 3 дБ, выберите частоту отсечки, которая будет приблизительно на порядок меньше минимальной измеряемой частоты. Например, если вы хотите точно измерить шум с минимальной частотой до 10 Гц с помощью анализатора с сопротивлением 50 Ом на входных клеммах, то вам потребуется конденсатор ёмкостью приблизительно 3 мФ. Не забудьте учесть погрешности конденсатора, его номинальное напряжение, а также ухудшение параметров из-за температуры, если испытания проводятся при температуре окружающей среды, отличной от комнатной. На рисунке 2 показан один из первых наших конденсаторов связи по переменному току, предназначенный для измерений с минимальной частотой до 10 Гц. В данном случае мы просто спаяли несколько конденсаторов параллельно на прототипе печатной платы и припаяли по проводу с двух сторон. Такой вариант работоспособен при измерении малошумящих LDO. Однако шум окружающей среды уже представляет для него проблему.

 Первый неэкранированный конденсатор связи переменного тока

Рисунок 2. Первый неэкранированный конденсатор связи переменного тока на 4000 мкФ для измерений шума

Рисунок 3 демонстрирует более поздний вариант конденсатора связи по переменному току, уже экранированный от шумов окружающей среды и снабжённый субминиатюрными разъёмами версии А (SMA), дабы обеспечить возможность применения экранированных кабелей во всех соединениях. Это позволило уменьшить степень влияния шумов, источником которых не являлось тестируемое устройство.

 Экранированный конденсатор на 5100 мкФ

Рисунок 3. Экранированный конденсатор на 5100 мкФ для измерения шумов низкого уровня

Источники питания

Ещё один путь проникновения паразитных шумов в результаты измерений — через источник питания. Это может быть источник питания как самого LDO, так и любого из усилителей, используемых для повышения выходных характеристик регулятора. По возможности запитывайте LDO и цепи усиления от аккумуляторов. Однако для LDO с высокими токовыми характеристиками это может быть проблематично. Возможно, потребуется снизить напряжение аккумулятора до необходимого для измерений уровня напряжения питания. Настольные источники питания удобны в том смысле, что их выходные характеристики легко настраиваются и заряд у них никогда не заканчивается. Тем не менее они, как правило, довольно шумны.

Выходные параметры большинства настольных источников имеют большие всплески спектральной плотности шумов на частоте сети (как правило, 50 или 60 Гц) и частоте коммутации внутреннего преобразователя. Некоторые настольные источники питания являются линейными, но большая часть содержит импульсные преобразователи. Поэтому их не следует использовать без подавления дополнительных всплесков шума на частоте коммутации и её гармониках.

Уменьшить шум источника питания можно двумя способами. Первый состоит в использовании принудительной пассивной фильтрации — низкочастотного фильтра с П-образными звеньями, с частотой отсечки ниже частоты сети. Такой фильтр будет очень большим по размерам из-за дросселей и конденсаторов большой ёмкости. Второй вариант заключается в применении малошумящего LDO с высоким уровнем подавления пульсаций питания (PSRR) в качестве фильтра. Это гораздо более миниатюрное и недорогое решение. Но учтите, что многие LDO не обладают высоким значением PSRR на высоких частотах, на которых как раз и работает большинство импульсных регуляторов [3]. Для фильтрации высокочастотных коммутационных шумов хорошим выбором будет линейка устройств TPS7A47xx, обладающих низким уровнем шума на выходе и широкополосным PSRR. Если подходящий LDO найти не удаётся, то для фильтрации коммутационных шумов можно использовать небольшой индуктивно-ёмкостный фильтр.

Экранирование

Неэкранированные цепи не могут быть защищены от шумов окружающей среды. Означенные шумы могут возникать в различных точках испытательной схемы. Одним из наиболее вероятных вариантов являются используемые для измерений кабели. Кабели, подключённые к положительным и отрицательным клеммам любого источника или измерительной линии, создают большие индуктивные контуры и поэтому очень чувствительны к шумам. Магнитные поля, присутствующие в измерительной среде, могут создавать в этих контурах нежелательные высокочастотные токи. Для сведения этих наведённых токов и связанных с ними шумов к минимуму используйте экранированные кабели с разъёмами BNC или SMA везде, где только возможно.

Если экранированные кабели по каким-либо причинам использовать невозможно, то сведите промежуток между проводами к минимуму и скрутите положительные и отрицательные провода между собой, чтобы максимально уменьшить создаваемый ими индуктивный контур. Ещё один хороший вариант — поместить испытываемое устройство и любые другие платы в заземлённый металлический ящик. Этот ящик будет играть роль экрана для плат, используемых при измерении, почти как экранирование кабеля глушит шумы, воспринимаемые его жилами. На рисунке 4 приведён пример испытательной схемы в экранирующем ящике (с открытым верхом). Обратите внимание на то, что низ ящика покрыт пеной для предотвращения коротких замыканий на корпус.

 Испытательная схема в экранированном ящике

Рисунок 4. Испытательная схема в экранированном ящике

Нагрузка LDO

Последним источником шумов, который следует рассмотреть, является нагрузка. В большинстве случаев автоматического тестирования используются электронные нагрузки, поскольку их легко настроить на любое значение. Однако при измерении шумов всегда необходима резистивная нагрузка. Электронные нагрузки генерируют собственный шум из-за имеющихся в них активных цепей. Соответственно, они оказывают негативное влияние на точность измерений.

Что делать со всеми этими данными?

Большинство анализаторов спектра записывают результаты измерений шума в дБмкВ/√Гц. Вам потребуется преобразовать эти значения в мкВ/√Гц. При использовании усилителя разделите эти значения на коэффициент усиления в В/В. После выполнения данной задачи для всех точек измерения можно сопоставить полученные данные с частотой, создав таким образом график спектральной плотности шумов, имеющийся в перечнях технических характеристик многих LDO. Уравнение 5 показывает, как выполнять преобразование из дБмкВ/√Гц в мкВ/√Гц.

Формула

Получив значение спектральной плотности шумов в мкВ/√Гц, можно рассчитать среднеквадратичную величину шума, высчитав площадь графика по соответствующей полосе пропускания (в промышленности используются стандартные величины 10 Гц — 100 кГц и 100 Гц — 100 кГц). Для этого проинтегрируйте величину шума по выбранной полосе пропускания. Если ваши данные хранятся в Microsoft Excel и переведены в мкВ/√Гц, то можно графически интегрировать данные следующим образом: усредните значения двух соседних точек, возведите полученное число в квадрат и затем разделите результат на разность частот между этими точками. Повторите эту процедуру для всех точек в нужном диапазоне частот, сложите полученные результаты, затем извлеките из этой суммы квадратный корень. Уравнение 6 представляет вышеперечисленные действия в терминах математики:

Формула

где Nn — спектральный шум в μV/√Hz и fn — частота.

Измерение шума системы

Чтобы измерить шум, который будет возникать в системе из-за источника питания, LDO необходимо запитать от цепи, используемой в реальном устройстве. При этом будет получен уровень шума, видимый расположенным далее компонентам. Фактически этот уровень представляет собой комбинацию внутреннего шума LDO плюс шум его источника питания, приглушаемый PSRR самого источника. Поэтому если LDO планируется запитать от импульсного регулятора, то для измерения шума лучше всего использовать тот же самый регулятор. Вместо переключателя и LDO можно использовать два отдельных EVM, соединённых кабелями, но, в идеале, данное измерение лучше всего проводить на конечном варианте платы или на максимально близком к таковому. Это позволит получить более точную картину шумов, видимую устройством нагрузки на входе, так как высокочастотный шум легко может просочиться через различные паразитные пути в слой земли, слой питания или в оба сразу. Разместите измерительное соединение как можно ближе к устройству нагрузки — такой вариант даст более точную картину шумов. Если используемая плата не имеет разъёма SMA или BNC на выходе, можно припаять разъём SMA к клеммам либо входного конденсатора устройства нагрузки, либо выходного конденсатора LDO. Учтите, что реализация этого варианта представляет некоторую трудность. Будьте аккуратны с проводами, поскольку они дают механический вращающий момент, достаточный для того, чтобы оторвать конденсатор от платы (возможно, вместе с дорожкой).

Предпроизводственное измерение шумов

Для сравнения различных LDO без установки их на плату можно использовать оценочные модули. Возможно, что EVM будет давать несколько отличные от производимой вами платы результаты, в силу разности паразитных связей, обусловленной различным расположением компонентом и их разводкой. Для тестирования LDO на EVM используйте резистивную нагрузку, а не электронную, дабы уменьшить влияние собственных шумов нагрузки. Заземлите нагрузочный резистор как можно ближе к отрицательной клемме входа источника питания, дабы избежать излишних шумов в «земляном» слое платы. Большие токи заземления в этом сравнительно небольшом слое EVM могут повлиять на результат измерения. Смотрите пример на рисунке 5.

Заземление нагрузочного резистора около входа питания

Рисунок 5. Заземление нагрузочного резистора около входа питания

По возможности используйте экранированные соединения, дабы ограничить размер индуктивных контуров. Если плата EVM не снабжена выходными разъёмами SMA или BNC, попробуйте припаять разъём SMA к клеммам выходного конденсатора LDO. Как уже говорилось, это довольно непросто, и результирующая схема будет хрупкой.

Указания по быстрой настройке

  1. Подготовьте LDO и плату к испытаниям.
  2. Подключите необходимую резистивную нагрузку к VOUT. Желательно заземлить нагрузку как можно ближе к входу питания.
  3. Поместите EVM в металлический (или с металлическим покрытием) ящик и заземлите ящик возле входа питания для экранирования от шумов окружающей среды.
  4. Подключите необходимые VIN, VOUT, Venable и т. д. с помощью экранированных коаксиальных кабелей.
  5. Подключите один вывод конденсатора связи по переменному току к выходу EVM. Подключите второй вывод конденсатора к используемому анализатору.
  6. Запустите процедуру измерения.

Дополнительные указания

  • Убедитесь в том, что пороговый уровень шумов измерительного оборудования меньше такового для LDO:
    • если пороговый уровень шумов оборудования больше или близок к соответствующей величине LDO — используйте малошумящий операционный усилитель;
    • применяйте для регулировки усиления резисторы небольшого номинала, чтобы уменьшить их «вклад» в уровень шума;
    • убедитесь в том, что коэффициент усиления равномерен по всему диапазону частот, в котором планируется проводить измерения:
      • если усиление неравномерно — либо уменьшите его коэффициент, либо учитывайте спад усиления на этапе преобразования результатов,
      • результирующие данные шумов в мкВ/Гц необходимо разделить на коэффициент усиления в В/В.
  • Конденсатор связи должен иметь достаточно большую ёмкость (3-10 мФ для измерения частоты 10 Гц) для точной регистрации низкочастотных шумов.
  • Чтобы уменьшить влияние шумов окружающей среды, сведите к минимуму длину всех соединений и проводов и/или используйте экранированные кабели.

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 SLYY076