Как измерить шумы блока питания усилителя

Использование анализатора сигналов для измерения уровня шума источников питания, стабилизаторов и источников опорного напряжения

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.

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.

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.

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).

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.

Борьба с помехами в усилителе.

В данной статье я поделюсь своим опытом борьбы с наводками, шумами, гулом, помехами в усилителях низкой частоты. Расскажу о причинах их возникновения.

Помехи

Помехи в усилителе низкой частоты могут быть как внутренние, так и внешние.

Внутренние помехи могут быть связаны:

1. Некачественный блок питания или недоработка питающих цепей. При таком недостатке начинает «захлебываться», то есть при увеличении громкости появляются искажения. Диагностировать такой недостаток достаточно просто. Необходимо замерить напряжение на выходе блока питания, а также на плате самого усилителя при максимальной и минимальной громкости. Большого перепада напряжения не должно быть. При изготовлении устройства из готовых плат, очень часто сталкивался с потерей массы (минуса), для устранения данной проблемы нужно кинуть провод от минуса блока питания до минуса на клемме входа усилителя, выхода и на корпус переменного резистора.
2. Пожалуй, самое распространенное явление — это «наводки 50 Гц.», связаны они с пульсациями напряжения в сети. Для борьбы с ними можно поэкспериментировать с емкостью конденсаторов фильтрующих элементов. (СЛЕДУЕТ ЗНАТЬ, ЧТО ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА НАПРЯЖЕНИЕ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ, экспериментируя с электролитами на выходе стабилизатора не стоит увлекаться). Можно добавить дросель в питающую цепь. Экранировать предварительный каскад и располагать его как можно дальше от источников наводок.

Электролитические конденсаторы не добросовестных производителей могут терять свои свойства даже при хранении в коробочке. Вздутие такого конденсатора говорит нам о том, что он пришел в негодность. Но далеко не всегда конденсатор вздувается. Для диагностики работоспособности конденсатора рекомендую пользоваться ESR метром. Благо друзья китайцы делают интересные приборы по доступной цене.

Внешние помехи обусловлены воздействием на усилитель внешних устройств. Например, импульсных источников питания, двигателей, источников магнитного излучения.

Для уменьшения воздействия внешних источников помех следует:

1. Применять экранирование входных цепей.
2. Располагать плату усилителя как можно дальше от устройств, создающих помехи.

При самостоятельной сборке следует:

Провода, используемые для подачи сигнала на входные цепи должны быть экранированы и как можно короче. Желательно на каждый канал по отдельному экранированному проводу. Также при проектировании печатной платы дорожки следует делать как можно короче. Их расположение тоже может влиять.

Шумы усилителя (шипение)

Шипение усилителя связано с конструктивной особенностью, а также с шумами самих радиоэлементов. Побороть его получится наврятли.

На этом все. Если у Вас есть замечания или предложения по данной статье, прошу написать администратору сайта, или комментарии под данной статьей.

Как измерить шумы блока питания усилителя

Zebra
Novitiatu Ordinarius

Любопытно измерить шум что там происходит . начиная от Vref .
исходная точка тут
https://www.eevblog.com/forum/metrology/. ise-meter/

Вход по постоянке 10-15В. По переменке от долей микровольта до десяток микровольт. до килогерца (я думаю) .

используемый операционник ADA4523 , ADA4528, ( ADA4075-2 , как тэста)
как вариант тут
https://www.eevblog.com/forum/metrology/. mplifiers/\

схема вот, я как бы сам рисую , даже если она на 90% совпадает, питание двойное 5В.
нет питания, фильтры, итд, пока вопрос по номиналам фильтров, и в общем.

R3 — номинал? , баланс между шумом тока опампа и нагрузкой входа.
R1 C2 — 10Кгц срез .

begemot
Posting Freak

По конкретней можно, что именно надо мерить, в каком диапазоне частот и т.д.

Вообще, если измерять маленькие величины-надо бы делать что-то типа дифференциального инструментального усилителя.
Иначе наловите всякого безобразия. Ну и земля вообще говоря везде немного разная и не совсем земля. Вы конечно потеряете 3 дБ по шумам,
но зато сможете что-то измерить. Кроме наводок и помех.
Мне в принципе OPA189 немного более симпатичен чем ADA4528, но в принципе они почти монопенисуальны.
Входной резистор надо бы уменьшить раз в 5, до 1К. В 5 раз уменьшится смещение из за утечки электролита.
Электролит на входе надо значительно меньшей ёмкости, минимум обеспечивающий требуемую полосу.
Если конечно не нужна лишняя утечка. Ну и на большое напряжение, 35-50В.
Усиление входного каскада наверно лучше поднять по крайней мере до 100. И в результате-забыть про любые ограничения на величины
резисторов/конденсаторов в последующих фильтрах. Т.е. забыть про электролиты и делать вполне пристойные и предсказуемые фильтры на плёнке и COG где позволяют номиналы.

И что там за германиевые диоды? Вам хочется приключений? Или шумов недостаточно?

И эта..Не занимайтесь ерундой, уберите параллельное включение ОУ. Или сделайте его по человечески.

НЧ фон в усилителе

Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.

Последние посетители 0 пользователей онлайн

• Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу

• Ответов 52
• Создана 5 г
• Последний ответ 2 г

Топ авторов темы

Ulis 5 постов

Falconist 6 постов

PashaShulga 18 постов

BARS_ 10 постов

Популярные посты

Михайлик

26 декабря, 2017

Этим я не занимался, равно как и теорией (не профильное образование). Просто столкнулся однажды с петлёй в своём триампинге. RMAA показывал мощный, длинный "лес", кратный 50 Гц. Когда разделил земли,