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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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  • javike

    LV.1

    2020-07-06 21:55

    @wheelzhou

    这个对比实验我是很清楚,10kHz, 100kHz的对比,还有两个型号的参数说明也很好,很明白,但是那个纸箱子是不是没有起到屏蔽的作用呢?
    纸箱是为了减少周围环境气流和温度变化的影响,而不是为了屏蔽电磁干扰哦。
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    LV.1

    2020-07-06 21:56

    @CDJ01

    LT3045这么低的纹波确实很优秀,这对于EMI应该非常好过。那么做到这么低是如何做到的,它后端的滤波电容是否可以非常,效率能做到多少
    这是一款LDO,不是BUCK哦
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    LV.1

    2020-07-06 22:00

    @banshankongyue

    输入电源应该也对输出的纹波会有影响的吧?作者没提,再者请教一下,作者测量了三个频率之下的纹波,能说说为啥是这三个频率吗?

    你看帖不仔细哦。有分别采用的直流可调电源供电和DC-DC BUCK电源供电测试哦。

    你还是没仔细看,测的是4个截止频率段,每10倍频程1次。因为明显DIY的噪声放大器频带只能到10KHZ,再高的线性度不理想,所以最高只测试到10KHz。

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    LV.1

    2020-07-06 22:01

    @dangligelang

    ADI在模拟电路器件领域本来就是行业翘楚。再加上和凌特强势资源整合。一整套精密测量方案都提供了。LT1763性能版主测试结果,也是非常给力。有一个问题,在负载如果有实时变动时,PSRR性能应该不会发生交大变化吧?

    34

    的确,负载越重,共模抑制比会越差,所以测评的是最糟糕情况的表现。

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    LV.1

    2020-07-06 22:02

    @星球居民-WfuK1Egq

    凌丽特 有很多产品很有特色的,都是行业能非常顶尖的技术水平。

    最近也在研究如果减小开关电源的纹波,凌丽特提供了很好的产品。

    想问下高压开关电源 比如1000V 2000V这样的电源如何测试纹波呢?

    有什么好的测试手段呢?

    另外高压超低噪音的开关电源有什么好的拓扑呢?

    期待各位大侠的解惑

    采用高压探头或者分压器进行测量。

    BUCK

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    LV.1

    2020-07-06 22:03

    @mudong

    我想知道稳压器适合使用到ddr芯片的供电上?布局走线的讲究注意事项,实际案例空间很紧张,处理很棘手啊。

    从上面的实物图可以看出,LT3045的封装很小的。

    布局走线可以参考ADI的规格书

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  • javike

    LV.1

    2020-07-06 22:04

    @gao1shou

    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?
    在测评之前已经对噪声放大器进行了扫频测试检验。
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  • ck353172960

    LV.1

    2020-07-06 22:18

    @

    之前LT3042的只可惜做到200mA,0.8uVrms比单电池的噪声还低,放在变压器后端使用可以节省一部分滤波成本了,12输入用最合适。
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  • POWER_AC

    LV.1

    2020-07-06 23:16

    @javike

    已更新测量共模抑制比曲线对比
    不知道此款LDO LT3045的价格是多少?像这种低噪声的LDO产品一般用于高精度得信号采样电路,一般的电路设计,很平常的LDO就可以满足设计需求。再者,不知道此款LDO产品在PCB布局上是否有哪些需要注意的事项,才能保证应用中,输出噪声能够与厂商宣传媲美。再就是对比中LT1763 Demo板大小是否与3045的一样大,PCB的散热是否一致。
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  • xiao__qiao

    LV.1

    2020-07-06 23:41

    @

    这真是一篇纯技术干货,LT3045产品超低的纹波、宽输入电压、低压降等特性令人印象深刻。文章同时详细给出了一种测量超低纹波的技术方法,受益匪浅。对于LT3045文中给出了不同带宽下纹波的大小,但输出电流是恒定0.5A情况下测得的,LT3045在不同负载电流的情况下,纹波是否会有显著变化?负载电流增加时,纹波会显著增大吗?
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