Engineer It 系列：如何测量LDO噪声和PSRR

[主题音乐] 嗨，大家好。 我是 Kyle Van Renterghem，德州仪器 (TI) LDO和监控器团队的一名系统工程师。 今天，我们将讨论如何 测量 LDO 噪声和电源抑制比， 或者说 PSRR。 首先，我们从方框图开始。 首先，您可以在左手边看到 电源，这个电源连接滤波器， 滤波器用于清除来自电源 的噪声。 滤波器之后连接评估模块--或 EVM-- 用于测试LDO。 您将它连接到交流耦合电容器， 随后连接到放大器， 之后连接频谱分析仪。 放大器和滤波器都是可选的， 取决于您的装置需求。 接下来，我们介绍频谱分析仪 本身。 频谱分析仪有点像示波器， 不同之处在于它们不是在时域测量信号， 而是在频域测量。 所以，您需要对此进行的设置之一（取决于 您将要测量的频率范围 的尺寸）就是扫描类型。 理想情况是，您能够将其设置为以对数形式 扫描，这种方式会让您扫描 的所有频率范围都有一个良好的分辨率。 不过，在这里您可以看到我们的网络分析仪 不能使用此方法，它只能 线性频率扫描。 不过，办法还是有的。 您只需要将测量分解为较小的 分组，这样在您感兴趣的整个 范围都会达到不错的分辨率。 您需要设置的下一项 是分辨率带宽。 分辨率带宽应 至少设置为您测量的 最小频率信号的十分之一。 这里有一个问题，就是如果设置得太小， 将会大大增加进行测量所需 的时间。 很多频谱分析仪具有这样一项自动功能， 会随着频率增加 增加分辨率带宽， 从而缩短测试时间。 最后，您需要设置的最后一项 是平均化函数。 现在，我已经打开了平均功能。 由于噪声具有随机属性， 您需要获取大量的平均值 来确保有一个干净漂亮的曲线。 我们打算使用 25 到 50 之间的采样平均值。 所有测量设备都有最低分辨率， 在这个点以下，您无法再进行 任何测量。 我们将这个点称之为频谱分析仪的噪声低限。 如果您测量的 LDO的输出噪声 类似或小于频谱分析仪 的噪声低限，这将大大 降低测量的准确性。 作为一般经验法则，待测器件 的噪声密度应大概为测试设置 有效噪声低限的 10 倍。 这会将噪声低限的影响保持 在低于 0.5% 的水平，且不会影响测量 的准确性。 如果相比 LDO输出噪声 噪声低限过高，那么您需要提高 LDO 输出噪声。 所使用的放大器在所有测量频率之间 应具有平坦增益， 且噪声应尽可能低，这是因为放大器 增益将提高噪声。 您还应该使用一些低值电阻器， 以使噪声影响保持在相对低的水平。 若要消除或减少环境噪声的影响， 您需要一个金属盒来屏蔽测试装置， 而且这个金属盒应该通过电源接地。 您还需要使用屏蔽电缆和 BNC 或 SMA 接头（只要您可以使用）， 以使寄生电感尽可能小， 屏蔽尽可能好。 交流耦合电容器用于阻止直流信号 进入频谱分析仪。 频谱分析仪接线端阻抗只有50欧姆，不能承受 如此多的电流，所以交流耦合电容器帮助阻止 直流，只允许低于截止频率的交流信号 通过。 截止频率与电容器值 和终端电阻成反比， 多数情况下终端电阻是 50 欧姆。 例如，如果您想要测量到 10 Hz， 您需要有一个大概 3 毫法拉 的耦合电容器--不考虑 降额或容差。 接下来，我们将介绍LDO 基准测试。 理想情况是在您已设置的板上进行此测试。 但是，有时手头没有预制电路板。 这时，您可以使用电源， 并且尽可能为 LDO使用干净 的电源。 您可以使用电池，电池有出色的噪声性能-- 但是，对于高电流应用， 电量可能很快耗尽。 您可以使用无源滤波器，如电感 和电容 π 型滤波器。 但这些滤波器为了阻止 50 到 60 Hz 之间的工频周期噪声， 可能非常大。 您也可以使用具有足够宽PSRR的LDO， 它可以帮助清除来自电源的噪声。 LDO 将有效阻止频率很低的工频周期， 而且高频噪声也可以 得到衰减。 或者，您还可以将这些方法组合使用。 您可以使用具有 π 式滤波器的 LDO -- LDO 将阻止 低频噪声--然后您 可以使用 π 式滤波器阻止高频开关 噪声. 接下来，我们将讨论 EVM 设置。 所有测试装置都应该在放在金属盒内。 使用屏蔽电缆将电源连接到滤波器 或直接连接到正在测试的 LDO， 具体取决于您需要的测试设置。 您应使用另一个 SMA或其他屏蔽电缆 连接到交流耦合电容器的一端， 然后使用另一端连接到频谱 分析仪。 请注意，负载应该是电阻负载，而 不是电子负载，因为后者将引发它自有的噪声。 负载应从输出 到地，并尽可能靠近输入电源。 这将减少接地平面 噪声，因为测试中可能 有大电流流过地平面。 如果您使用的是生产板， 而且没有 BNC或 SMA 接头， 您可以尝试跨电容器端子 焊接 SMA，在LDO的 输出端， 或者在负载的供电输入端。 您应该小心处理，虽然--导线能够 建立足够扭矩，但这有可能 将电容和焊盘从板子上带下来。 现在我们来进行测试。 我只是打开电源， 然后重置触发器，让它来重置平均值。 您可以看到，在顶部这里， 平均值在增加，频谱 只减小了一点点。 这就是如何测量 LDO 的噪声。 接下来，我将向您介绍如何测量 PSRR。 稍等一下，我先把测试设置好我们再来测试。 现在我们准备好了所有 PSRR 测量的 测试设置，您可以 看到，我们增加了一个加法放大器， 还有一些高阻抗有源探针。 在继续下一步前，我们来看看 方框图。 您可以看到，这个方框图 与噪声测量的方框图非常相似。 我们同样有一个电源--这个 电源连接滤波器，用于设置 LDO的直流工作点。 之后连接加法放大器，此放大器将 正弦信号叠加到直流工作点，直流工作点 随后连接EVM。 如果需要，之后连接放大器， 然后进入网络分析器--我们换下了 频谱分析仪。 多数网络分析器具有输出，您可以将输出 连接加法放大器。 这样您会得到一个正弦波，您应将 它设置为约峰峰值100毫伏。 这样可以阻止直流运行点 改变太大。 加法放大器将信号阻抗改变，然后将其 发送到要测试的 LDO。 PSRR 测量与噪声测量有很多相同[听不清] 之处。 但是，这个测量时您需要去掉 输入电容，因为它既会衰减 输入信号，还会更改 正弦波的大小，因为它的阻抗 随频率变化。 通常，您还应尽可能使用 BNC 接头和屏蔽电缆。 并且仍然应该使用接地金属盒来 消除其他环境噪声。 在执行这个测量时， 完成设置后，即可很快完成 测量。 现在，我们来执行该测量。 现在我们所需要做的只是打开电源-- 目的是设置 LDO的直流运行点-- 然后我们将重置测量平均值。 [听不清]平均值。 您会看到，这会扫描整个屏幕， 这就是 LDO的 PSRR。 之后它会继续获取平均值， 这样来清楚噪声，确保 您获得一个漂亮的图形。 这就是如何进行 PSRR 测量。 想要获取更多信息，请访问以下网址。