Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2012
Steve Sandler, Charles Hymowitz, AEI Systems Inc.
Electronic Design
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.
