與噪聲測量同等重要

　　線性穩(wěn)壓器的電源抑制與輸出電壓噪聲同樣至關(guān)重要。如果電源抑制性能不佳，即使噪聲最低的穩(wěn)壓器也會使不想要的信號通過，到達(dá)輸出，這樣的信號到達(dá)輸出后可能淹沒穩(wěn)壓器的噪聲。人們常常使用開關(guān)穩(wěn)壓器作為預(yù)穩(wěn)壓器，以提供效率、噪聲、瞬態(tài)響應(yīng)和輸出阻抗的最佳組合。

　　大多數(shù)最先進的開關(guān)穩(wěn)壓器都在 100kHz 至 4MHz 頻率范圍內(nèi)工作。即使采用 ESR 最低的電容器，開關(guān)穩(wěn)壓器能量傳送的脈沖性也會導(dǎo)致在開關(guān)頻率上出現(xiàn)輸出電壓紋波。在噪聲敏感的視頻、通信以及其他類型的電路中，這些紋波信號會引起問題。凌力爾特 2005 年 7 月發(fā)布了《應(yīng)用指南 101》（Application Note 101），題為“Minimizing Switching Regulator Residue in Linear Regulator Outputs”（最大限度降低開關(guān)穩(wěn)壓器信號在線性穩(wěn)壓器輸出中的殘留），文中已經(jīng)探討了這個問題。

　　凌力爾特最近推出的線性穩(wěn)壓器之電源抑制為 80dB 及更大范圍。LT3042 在某些頻率上電源抑制接近 120dB。為了測試電源抑制，輸入必須保持在足夠低的幅度，以確保測試的是穩(wěn)壓器的小信號響應(yīng)而不是大信號響應(yīng)，當(dāng)然信號也必須足夠大，以在輸出端提供可測量的信號。此外，疊加了 AC 信號的輸入 DC 信號一定不能使穩(wěn)壓器產(chǎn)生壓差或進入其他不想進入的工作區(qū)。

　　驅(qū)動 DUT

　　測試穩(wěn)壓器電源抑制性能時，第一件必做之事就是提供一個將受到抑制的信號。這可不是僅將頻率發(fā)生器連接到穩(wěn)壓器上而已，而是復(fù)雜得多。AC 信號必須疊加在 DC 偏移之上，并能夠在加載情況下提供所需電流。

　　Jim Williams 開發(fā)了用來實現(xiàn)這一目的的電路，如圖 13 所示。在這個電路中，DC 基準(zhǔn)電壓由 A2 產(chǎn)生，并在 A1 的負(fù)輸入端與 AC 信號疊加。A1 輸出驅(qū)動達(dá)林頓連接的三極管，而三極管與鎮(zhèn)流電阻器連接，可把這些電路組并聯(lián)以提供高達(dá) 5A 的輸出電流。

　　圖 13：驅(qū)動器電路板使 AC 和 DC 電壓相加，以在頻率直至 10MHz 時提供數(shù)安培電流。

　　將這個電路連接到 DUT 時，需要提到的一個主要說明是：穩(wěn)壓器不應(yīng)該使用輸入電容。第一個原因是，該電路沒有為驅(qū)動電容性負(fù)載而優(yōu)化，可能產(chǎn)生振蕩。第二個原因是，這個電路不能吸取電流，必須有負(fù)載存在以給輸入電容器放電，尤其是在頻率增大時。在 10MHz 跨一個 1μF 電容器提供一個 50mVP-P 正弦信號時，需要超過 3A 充電和放電電流，以防止信號失真。如果在小輸出電流 （低于 100mA） 時進行測量，那么就要預(yù)加載，以確保提供給穩(wěn)壓器的信號保真度。

　　未雨綢繆

　　當(dāng)穩(wěn)壓器具備很高的電源抑制時，就必須仔細(xì)考慮儀器的細(xì)節(jié)問題。如果穩(wěn)壓器提供 100dB 電源抑制，那么 50mVP-P 輸入信號在輸出端就被降至 0.5μVP-P。可以提高輸入信號幅度，但在某些點上將發(fā)生從小信號響應(yīng)向大信號響應(yīng)的轉(zhuǎn)變。

　　就一個具備很高電源抑制的穩(wěn)壓器而言，輸出信號的小幅度可與該器件的噪聲幅度相比，或者比器件的噪聲幅度還小。這建議我們應(yīng)該像放大噪聲一樣地放大信號，以能夠進行準(zhǔn)確測量。即使這么做了，輸出信號也常常被噪聲淹沒。幸運的是，新式示波器提供求取平均值的功能，使人們能夠從噪聲中抽取出信號。隨機噪聲的平均值為零。輸入信號提供所需的觸發(fā)信號。

　　無論信號是否被放大，測量電源抑制時，還可能出現(xiàn)其他一些問題。輸入和輸出信號必須同時測量，人們需要知道輸入和輸出幅度，以確定該器件的抑制性能。測量配置的方框圖如圖 14 所示。

　　圖 14：電源抑制測量配置的方框圖顯示了地回路。將單端放大器轉(zhuǎn)換成差分放大器可解決地回路問題。

　　值得一提的是，在這個方框圖中，存在可能破壞測量結(jié)果的地回路。第一個地回路是通過兩個示波器通道的公共地形成的。這個地回路從信號放大器中通過，回路中的任何信號都會破壞電源抑制測量結(jié)果，使測量結(jié)果不能反映實際性能。對這個問題的解決辦法是，將信號放大器從單端電路變成全差分電路。這么做了以后，兩個回路都被斷開了，這樣就保證了測量保真度。第二個地回路 （圖 14 中沒有顯示） 通過 AC 線路地到達(dá)第一個示波器通道。這個回路對誤差貢獻(xiàn)最小，因為相比之下所有信號都是大信號。

　　用簡單放大器實現(xiàn)差分輸入

　　一個簡單放大器如圖 15 所示。這個放大器在輸入端使用了全差分增益級，增益為 40dB，其后是一個差分至單端轉(zhuǎn)換器，提供另外 20dB 增益。每個輸入端都有一個 200Hz 高通濾波器以隔離 DC。之所以選擇 LTC6409，是因為該器件提供很大的 10GHz 增益帶寬積。第二級由 LT1818 組成，配置為一個差分至單端轉(zhuǎn)換器，增益為 20dB。

　　圖 15：簡單的差分至單端放大器提供 60dB 增益。

　　這個放大器組合的輸入?yún)⒖荚肼曔\行大約 1.4nV/√Hz，這意味著我們預(yù)期應(yīng)該測得低于 2.2μVP-P 的噪聲。同時，我們預(yù)期穩(wěn)壓器本身有 4μVP-P 噪聲。我們預(yù)期在穩(wěn)壓器輸出端有 0.5μVP-P 信號，與該信號相比，這個噪聲完全淹沒了我們試圖測量的信號。不過，惟一的可取之處是噪聲的隨機性，噪聲的平均值為零：使用具備存儲器的新式示波器求取平均值后，就可得到隱藏在噪聲中的信號。

　　改進差分放大器

　　極高性能線性穩(wěn)壓器測量變得更加棘手。輸出信號僅獲得 60dB 增益時，0.5μVP-P 信號就變成了 0.5mVP-P。這么小的幅度已經(jīng)接近很多高端示波器 1X 探頭的測量門限了。將線性穩(wěn)壓器輸入幅度提高 10 倍，會增加空間，但是如果穩(wěn)壓器抑制再增加 20dB，那么問題就會再次出現(xiàn)。

　　圖 16 顯示了怎樣實現(xiàn)更高性能的放大器。該放大器基于圖 2 所示噪聲放大器和圖 15 所示差分至單端放大器。現(xiàn)在，每一級所用的 LT1818 換成了 LT1994 差分放大器，LT1994 向差分三極對管反饋信號，三極對管仍然由 THAT300 三極管陣列組成。第二個差分增益級由另一個 LT1994 組成，之后通過第一個 LT6232 轉(zhuǎn)換成單端測量電路。面向高通和巴特沃斯濾波器的后續(xù)各級與圖 2 中相同。電路響應(yīng)的校準(zhǔn)和驗證與低噪聲放大器相同。

　　

　　圖 16：改進的放大器提供差分輸入和 80dB 增益。

　　測量電源抑制的配置如圖 17 所示。所測得的 LT3042 穩(wěn)壓器的電源抑制如圖 18 所示。值得一提的是，該穩(wěn)壓器的電源抑制在 100Hz 時接近 120dB。在示波器上驗證這個測量結(jié)果要求改進的放大器提供 80dB 增益。

　　圖 17：測量電源抑制的配置。下方左邊是驅(qū)動器電路板和 DUT，下方右邊是放大器電路板。電源和信號源未顯示。

　　圖 18：LT3042 的電源抑制曲線顯示，在接近 4MHz 頻率時，性能 》70dB。

　　其他測量方法

　　還可用其他方法和設(shè)備進行電源抑制測量。鎖定的放大器用基準(zhǔn)信號在想要的頻率上提供同步檢測，以幫助測量小信號。網(wǎng)絡(luò)分析儀還提供一個掃頻振蕩器，同時提供帶通功能，以測量輸入和輸出幅度，并計算電路的抑制性能。這些方法提供有效的測量結(jié)果，但是人們?nèi)匀恍枰?jǐn)慎對待電路連接并驗證測量結(jié)果。在示波器上檢查輸入和輸出信號是必做之事，信號幅度和波形會指明，所測試的穩(wěn)壓器是否被驅(qū)動進入了壓差狀態(tài)，或者小信號響應(yīng)是否已讓位于大信號響應(yīng)。

　　陷阱

　　與測量噪聲類似，測量電源抑制時，也有一些陷阱可能導(dǎo)致人們誤入歧途。對電路接地需要嚴(yán)加注意，使用星形接地方式很重要。測量電源抑制時所看到的某些影響，實際上似乎是反直覺的。

　　迄今為止，可靠的設(shè)計始終會在線性穩(wěn)壓器的輸入端包括一些電容，以保持電源阻抗在整個頻率范圍內(nèi)盡可能低。如果器件提供足夠高的電源抑制，那么實際上有可能增大輸出紋波。

　　考慮一個如圖 19 所示的電路，其中 LT3042 對 LT8614 Silent Switcher穩(wěn)壓器進行后穩(wěn)壓。在 500kHz 開關(guān)頻率上，LT8614 通過兩三英寸長的銅質(zhì)電路板走線，向 LT3042 輸入端提供約 20mVP-P 紋波。在 LT8614 使用僅 22μF 的輸出電容器時，線性穩(wěn)壓器的輸出紋波僅為幾 μVP-P。當(dāng) LT3042 輸入端增加一個 4.7μF 電容器時，輸出紋波增大到約 75μVP-P，如圖 20 所示。應(yīng)該提到的是，就這些照片而言，帶寬限制在 20MHz，因為目的是顯示開關(guān)頻率上的紋波，而不是高頻邊沿尖峰。

　　圖 19：用 LT3042 對 LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器進行后穩(wěn)壓。

　　圖 20：LT3042 對 LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器進行后穩(wěn)壓 （a） 在 LT3042 輸入端無需任何電容器，（b） 在 LT3042 輸入端有 4.7μF 電容器。兩張照片都是帶寬受限的，以忽略高頻尖峰。

　　增加輸入電容是怎樣降低穩(wěn)壓器電源抑制的？ 答案與 LT3042 性能無關(guān)，而與電路板布局有關(guān)。LT3042 提供卓越和具備以電氣方式抑制輸入電源信號的能力。迄今為止，能否抑制這些信號一直是限制因素。現(xiàn)在，磁場成了罪魁禍?zhǔn)住?/p>

　　為了更好地理解這一點，圖 21 所示原理圖用一條綠色的實線突出顯示了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的一條 AC 電流通路。如果 LT3042 的輸入端有電容，那么 AC 電流也流過綠色虛線顯示的通路。LT3042 的輸入在所關(guān)注的頻率上呈現(xiàn)高阻抗特性，因此無 AC 電流流入 LT3042。

　　圖 21：本原理圖突出顯示了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 AC 電流回路和一些易受磁耦合影響 （附錄 B 的圖 B1） 的通路。組合使用鐵氧體珠、屏蔽以及調(diào)節(jié)物理距離的方法，以最大限度減小高頻尖峰 （附錄 B 的圖 B2）。電路板結(jié)構(gòu)來自附錄 B 的圖 B。

　　AC 電流產(chǎn)生磁場，該磁場將在附近的其他回路中引起電流，在變壓器中，繞組以同樣的方式耦合。在圖 21 中，兩個所關(guān)注的回路用藍(lán)色和紅色顯示。藍(lán)色回路由 CSET 和 RSET 形成，在誤差放大器輸入端產(chǎn)生紋波。由于 LT3042 的單位增益架構(gòu)，這個紋波被一直傳送到輸出端。紅色回路由輸出電容器和回看進穩(wěn)壓器的阻抗 （以及附近的負(fù)載組件） 直接在穩(wěn)壓器輸出端產(chǎn)生紋波。

　　與直覺相反，去掉 LT3042 輸入端的電容會降低輸出紋波。考慮到這不是信號的電饋通，而是磁場耦合，所以人們在設(shè)計電路板時，必須考慮距離、屏蔽和回路方向。場強與距離和回路面積有關(guān)，最大限度減小回路面積 （不是靠采用輸入電容器） 和最大限度延長距離 （僅通過使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出電容） 限制了加到敏感回路上的電流。

　　這表明，之前決定在信號驅(qū)動器電路板的輸出端或穩(wěn)壓器輸入端不使用電容器是明智的。如果在穩(wěn)壓器輸入使用電容器，就增加了一個回路，從而會產(chǎn)生磁場，該磁場耦合進輸出并導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果。穩(wěn)壓器電源抑制看起來會比實際情況差得多。

　　使用開關(guān)穩(wěn)壓器時遇到的另一個問題是，不僅要去掉開關(guān)頻率紋波，還要去掉與開關(guān)邊沿有關(guān)的尖峰。有些電路的開關(guān)邊沿僅在幾納秒時間內(nèi)就過渡完畢，從而產(chǎn)生數(shù)百 MHz 頻率分量。這些頻率無法用簡單的線性穩(wěn)壓器消除。走線電容和磁耦合等寄生效應(yīng)使得這些尖峰難以降低。請參閱凌力爾特《應(yīng)用指南 101》（Application Note 101）“Minimizing Switching Regulator Residue in Linear Regulator Outputs”（最大限度降低開關(guān)穩(wěn)壓器信號在線性穩(wěn)壓器輸出中的殘留），以及附錄 B “控制高頻開關(guān)尖峰”，以獲得進一步的信息。

　　結(jié)論

　　LT3042 等線性穩(wěn)壓器具備很高的性能，為敏感系統(tǒng)提供了噪聲極低的電源軌。驗證這類器件的 DC 性能通常不是很棘手的任務(wù)。而在性能如此之高的情況下，諸如噪聲、電源抑制等關(guān)鍵參數(shù)不那么容易測量。就連測量電路、連接、電路板布局和設(shè)備中最不引人注意的細(xì)節(jié)都要格外注意。一度可能被忽視的微小誤差 （與待測信號相比） 現(xiàn)在卻成了一階誤差項。能夠提供高 PSRR 性能表明，信號不是通過器件本身而是通過磁耦合發(fā)送的。必須檢查每一個細(xì)節(jié)，以確保測量保真度，提供可靠的結(jié)果。