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探索微弱信号的先行者——ADI超低噪声稳压器LT3045实测

  • 2020-06-29 10:50
  • javike

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  • 随着各种智能终端和物联网设备的功能越来越智能化,各种终端和传感器也越来越多,同时对微弱信号的探索也提出了更高的挑战,所以对于产品中的电源纹波和噪声要求也越来越严苛,ADI之前推出了LT1763低噪声的LDO电源产品,这次测试的是噪声性能更好的LT3045产品。其具备低至0.8uVrms2nV/HZ@10KHz的噪声,在1MHz时还具备76dB的超高共模抑制比(PSRR)。同时其1.8-20V的超宽输入电压范围和0.26V的低压差,为各种智能产品和传感器产品设计提供高质量的供电。

     

    在实测之前,我们先得解决超低纹波测量的问题。一般示波器的底噪都在几十uV以上,甚至几mV,那么如何进行LT3045这种低至nV级的纹波和噪声呢?

     

    我们需要通过噪声放大器将纹波噪声信号放大10000倍,让信号幅度满足示波器的测量,再设置示波器衰减10000倍测得纹波噪声值。在使用噪声放大器测量之前,先需要对噪声放大器的频坦响应做一个测量,看看是否满足测试要求。频坦测试采用信号发生器注入信号,而信号放大器的最低输出幅值一般也是10-20mV,放大10000倍后会使噪声放大器进入饱和状态,所以还得对信号放大器输出的信号进行衰减后再测试。

     2A



    先对这个自制的40倍的衰减器做一下扫频。

    2



    直接采用示波器的PSRR测试功能,对其进行扫频测试其衰减比例。实测衰减为32dB,计算40倍的衰减,20log(CH2/CH1)=20log*40=32dB

    从测试结果可以看出,在1MHz以内,衰减倍率还是非常稳定的。

     

    接下来将衰减后的信号注入到噪声放大器,对噪声放大器的频坦做测量。


     3


    此款噪声放大器基于凌特AN124做了些部分改进,同时借鉴了乐老师的作品,将带宽做了点扩展。

    X1



    AFG信号通过40倍衰减后,送入噪声放大器的输入端,同时连接到示波器的通道1,将噪声放大器的输出端连接到示波器的通道2,进行频坦曲线测试。

    4



    从扫频的曲线中可以看出,噪声放大器的衰减增益为-80dB,则其放大倍数为10000倍,在10KHz范围内,频坦响应还不错。


    下面来进行一下实测:

    10


    左边的LT1763低噪声LDO和右边的超低噪声LT3045对比测试.

    11


    为了杜绝气流和温度的影响,测试都是将2块板子放在纸箱中接线后密封测试的。

    此时设定的输出电压为2.5V,采用一颗5欧姆的电阻作为负载,负载电流0.5A左右。

     

    通过噪声放大器放大10000倍后,再采用示波器衰减10000倍测得的纹波噪声。

    12

    13



    10KHZ带宽下,LT1763的纹波RMS值实测为8.318uVLT3045的纹波RMS值实测为781.5nV。低于规格书标称的0.8uV


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    1KHZ带宽下,LT1763的纹波RMS值实测为8.916uVLT3045的纹波RMS值实测为692.9nV。表现非常优异。


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    100Hz下, LT1763的纹波RMS值实测为7.471uVLT3045的纹波RMS值实测为652.6nV


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    10Hz下, LT1763的纹波RMS值实测为3.215uVLT3045的纹波RMS值实测为379nV。噪声幅度大幅度降低。虽然LT1763已经是低噪声LDO产品了,但LT3045的纹波RMS值仍然比LT1763小了10倍左右。


    当涉及对噪声敏感的模拟/射频应用(常见于测试和测量系统中,其机器或设备的测量精度需要比被测实体高几个数量级)时,相对于开关稳压器,LDO稳压器通常是首选。低噪声LDO稳压器为各种模拟/射频设计供电,包括频率合成器(PLL/VCO)、射频混频器和调制器、高分辨率的高速数据转换器以及精密传感器。然而,这些应用的灵敏度已经达到了传统低噪声LDO稳压器的测试极限。例如,在许多高端VCO中,电源噪声直接影响VCO输出相位噪声(抖动)。此外,为了满足整体系统效率的要求,LDO稳压器通常用于对噪声相对较高的开关转换器的输出进行后级调节,因此LDO的高频电源纹波抑制(PSRR)性能变得至关重要。再者,与业界标准的开关稳压器相比,LDO稳压器的噪声水平可降低两到三个数量级,从mV (rms)范围降至几个uV (rms)范围。


    接下来在看看将输出电压设定提高到3.3V看看:

    20


    采用一颗4.7欧姆串了21欧姆的电阻作为负载,负载电流基本是满载0.5A


    21


    22



    从结果中看:

    LT1763随着输出电压的升高,输出纹波噪声明显会高了一些,但LT3045的纹波虽然也有波动,但基本不变。


    23



    由于LT3045是采用基于电流基准的架构,精密电流源基准后面接着高性能的单位增益缓冲器,可实现几乎恒定的带宽、噪声PSRR和负载调整性能,不受输出电压影响。LT1763输出噪声会输出电压的变化而变化。LT3045由于是单位增益,输出噪声不会随输出电压的变化而变化。


    由于上面的测试是基于直流电源的供电,下面采用带有纹波输出的BUCK电源给LT3045供电,先对基于LT8068的BUCK电源DEMO进行纹波测试看看:

    24


    25



    基于LT8068BUCK输出纹波p_pk值为10.92mV


    26



    LT3045连接到LT8068的输出端,再进行纹波和噪声测试:

    27


    从图中可以看出,级联到带有纹波输出的LT8068的输出端,纹波噪声与直流电源供电相比,基本没变,仔细看稍微有点变小了,不排除是LT8068输出到LT3045的线较短的影响。可见,LT3045对输入端的纹波抑制能力非常强,得益于其超高的PSRR共模抑制比。


    接下来再看看其超低点噪声的表现:

    31


    实测其超低点噪声低于其标称的2nV/HZ@10KHz,达到了惊人的1.892nV/HZ@10KHz


    LT1763根据规格书,在比输出电压略高1V的输入电压下,注入50mV的干扰信号,进行PSRR曲线测试:

    32


    从测试的结果来看,其最大共模抑制比出现在649.5Hz,达到了90.48dB。不过实测到30Hz以内的信号比较动荡,可能是受限于注入放大器和示波器分辨率及底噪的限制。从10Hz-20MHz的共模抑制比曲线中,最低点为4.657MHz,只有1.04dB的共模抑制比。在1MHz左右时,其共模抑制比实测只有26.8dB左右。


    由于LT3045的共模抑制比非常高,注入低幅度的干扰时输出端基本不会有干扰信号,所以,接下来再采用信号注入放大器给LT3045的输入端注入在12V输入的条件注入极限的正负8V的干扰信号,看看其共模抑制比的表现:

    33


    从测试的结果来看,其最大共模抑制比出现在31.67Hz,达到了144.1dB。从10Hz-20MHz的共模抑制比曲线中,最低点为2.577MHz,但也有59.46dB的共模抑制比。另外,在1MHz左右时,其共模抑制比实测达到了70.89dB,接近标称的76dB,可谓表现优异。


    相比之下,LT30451MHz时的共模抑制能力比LT1763高了整整50 dB


    对于LT3045如此优异的超低噪声表现,为智能终端和传感器领域提高了高质量的供电系统,促进人类发展探索更微弱信号的检测和发展。

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  • vv1986

    LV.1

    2020-07-06 12:15

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    ADI的新电源产品性能不错,新的LDO在RMS噪声上更低,输出电流最大500mA,电路简单,后续有新产品设计可以考虑试试。
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  • sunnyboy6652

    LV.1

    2020-07-06 12:20

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    感谢分享,请问LT3045的低噪声和低的电源纹波,描述的低压差为.026V,这个是输入输出的电压差?如果输出值变大或输入变大电压差是否会改变?压差大了温升是多少呢?还有LT3045的线形性关系如何?最大输出电压电流为多大?
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  • 52491

    LV.1

    2020-07-06 12:21

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    最近在做压电加速度传感器,使用OP340作为第一级的电荷转电压电路,然后用LT6015做第二级放大电路,现在碰上一些问题,在加速度g值较低的情况下,传感器原始信号非常微弱,这时的干扰信号极大的影响了有效信号,导致得到的有效结果是错误的,这种情况如何通过选择运放芯片进行降噪,同时能把有效信号完整的还原出来?
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  • gao1shou

    LV.1

    2020-07-06 12:25

    @

    探测的电源纹波和噪声微弱的信号,ADI超低噪声稳压器放大信号倍数和测出读取时数值实现精度是如何控制的,上下极限值精度如何保证?测试时受影响因素有哪些?如何消除影响?
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  • tangwk

    LV.1

    2020-07-06 12:28

    @

    LT3045根据介绍确实噪声性能不错,后续有机会的话希望能在实际产品上进行验证,因为针对纹波要求高的产品,一款好的测试工具确实能减少很多不必要的误差
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  • adengadeng

    LV.1

    2020-07-06 12:31

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    看起来不错,不知道性价比怎么样
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  • 阿彬

    LV.1

    2020-07-06 12:33

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    J版威武!看得出来花了不少时间和精力来给大家分享!
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  • zzf4676

    LV.1

    2020-07-06 12:42

    @

    ADI模拟领域的佼佼者,LT3045根据介绍确实噪声性能不错,在我们产品上会用的到
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  • 阿彬

    LV.1

    2020-07-06 12:42

    @阿彬

    J版威武!看得出来花了不少时间和精力来给大家分享!
    请原谅我孤陋寡闻,这么高精度的玩意主要应用在哪些地方呢?示波器这些设备上吗?之前没想过这种低噪声的测试探头如何测试,看了这个帖子之后,受益匪浅啊!
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  • dy-DZx5wpWX

    LV.1

    2020-07-06 12:44

    @

    据我了解LT3045是低损耗性据我LTC的超低噪声与PARR结构,用于精密的电流基准与电压缓冲器。但是具体的漏电流和静止电流与无启动电流怎么得出的。
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