使用選擇性矢量網(wǎng)絡(luò)分析器實(shí)現(xiàn)電源抑制比的精確測(cè)量

作者：德州儀器 （TI） 系統(tǒng)工程師John Rice和Picotest執(zhí)行總監(jiān)Steve Sandler

引言

在理論上，電源抑制比（PSRR）測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單。變頻信號(hào)對(duì)電源輸入進(jìn)行調(diào)制，然后在輸出端測(cè)量該信號(hào)的衰減情況。但是，這種測(cè)量對(duì)裝置噪聲高度敏感，包括來(lái)自探測(cè)環(huán)路區(qū)域和印刷電路板（PCB）布局的噪聲。本文利用高保真信號(hào)注入器和高敏感/選擇性矢量網(wǎng)絡(luò)分析器（VNA），對(duì)限制PSRR測(cè)量的一些常見(jiàn)裝置問(wèn)題進(jìn)行探討，并介紹一種克服這些問(wèn)題的方法。

輸入信號(hào)調(diào)制

調(diào)制輸入至穩(wěn)壓器的最簡(jiǎn)單方法是使用線路注入器，例如：Picotest J2120A等。這種器件可適應(yīng)50V輸入電壓和5A輸入電流。與VNA結(jié)合使用時(shí)，J2120A直接對(duì)輸入電壓進(jìn)行調(diào)制，而VNA則測(cè)量輸入/輸出衰減。這種方法的缺點(diǎn)是，需要中斷輸入線路，并需要適應(yīng)注入器的壓降。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試而言，這些缺點(diǎn)一般并不是問(wèn)題，但是當(dāng)在電路內(nèi)進(jìn)行測(cè)量時(shí)它們會(huì)成為棘手的問(wèn)題。

對(duì)輸入進(jìn)行調(diào)制的一種替代方法是，使用一個(gè)低頻DC阻斷器，通過(guò)電容方式把VNA連接至受測(cè)器件，例如：J2130A DC偏置注入器。輸入端信號(hào)的量級(jí)受到VNA 50?電源阻抗的限制，但該信號(hào)一般較大，足以讓VNA測(cè)量到。這種方法不要求中斷輸入連接，因此可在電路中進(jìn)行，無(wú)需給受調(diào)制的電壓總線添加任何DC負(fù)載。

校準(zhǔn)

在進(jìn)行PSRR測(cè)量以前，進(jìn)行校正非常重要，以查看是否存在探測(cè)變化。另外，測(cè)量裝置的噪聲底限以確定測(cè)量限制，這一點(diǎn)也很重要。圖1中的照片顯示了這種用于校準(zhǔn)的測(cè)試電路板裝置。黑白線為J2120A線路注入器的輸入。右邊的紅和黑色夾子，連接至一個(gè)J2111A電流注入器（起到一個(gè)25mA負(fù)載的作用）。兩個(gè)探針連接至公共輸出接地，兩個(gè)探針尖均連接至同一個(gè)輸入，這樣它們便有相同的調(diào)制信號(hào)。之后，對(duì)VNA執(zhí)行THRU校準(zhǔn)，以對(duì)探針或者線纜相關(guān)缺陷進(jìn)行校正。在相關(guān)頻帶，應(yīng)能在VNA看到一個(gè)扁平的增益響應(yīng)。

圖1 THRU校準(zhǔn)測(cè)試電路板裝置

噪聲底限評(píng)估

探針校準(zhǔn)完成以后，通過(guò)讓輸出檢測(cè)探針短路至接地連接評(píng)估噪聲底限（圖2）。由該測(cè)量，我們可以清楚地看到，就今天大多數(shù)穩(wěn)壓器的PSRR而言，這種噪聲底限太高了，并且要求使用更好的裝置來(lái)探明實(shí)際PSRR?？傊?，如PSRR等高保真測(cè)量，必需使用仔細(xì)端接的連接點(diǎn)，并且探針環(huán)路面積最小。實(shí)際上，圖2所示低保真測(cè)量，大多都是由示波器探針接地線夾所形成線環(huán)路內(nèi)的噪聲產(chǎn)生。

在下一個(gè)測(cè)量裝置中（如圖3所示），使用50?同軸線代替輸出示波探針，一個(gè)SMA適配器直接焊接至輸出電容器。線纜通過(guò)一個(gè)J2130A DC阻斷器和J2102A共模變壓器連接至VNA。在輸出接地探針短路，以對(duì)噪聲底限進(jìn)行評(píng)估。由圖3，我們可以清楚地知道，1kHz時(shí)噪聲底限改善超過(guò)90dB。但是，德州儀器（TI）擁有最為安靜的電源穩(wěn)壓器，在1MHz以上可提供較好的PSRR，因此這種噪聲底限仍然不可接受。

圖2 使用示波器探針裝置的噪聲底限測(cè)量

圖3 使用50 ?同軸線纜替代輸出示波器探針以后的噪聲底限測(cè)量

接下來(lái)，使用直接焊接至輸入電容器的50?同軸線纜來(lái)替代輸入端示波探針（圖4）。完整的裝置（兩條50?同軸線纜和J2102A、J2130A、J2120A以及J2111A）和噪聲底限/PSRR測(cè)量顯示在圖5中。該裝置擁有低得多的噪聲底限，幫助PSRR測(cè)量達(dá)到1MHz，并實(shí)現(xiàn)90dB的低頻PSRR。30kHz附近的PSRR諧振，可能是PCB布局或者組件寄生相互作用的結(jié)果。

圖4 50 ?同軸線纜代替輸入示波器探針

圖5 完整裝置和噪聲底限/PSRR測(cè)量

為了說(shuō)明優(yōu)秀裝置的重要性，圖6顯示了精心設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器、PCB布局和裝置的PSRR。這種測(cè)量表明，利用精心設(shè)計(jì)的裝置和正確的測(cè)量設(shè)備，是可以獲得極低噪聲底限的，從而實(shí)現(xiàn)高精確的PSRR測(cè)量。最后，為了驗(yàn)證上述注入方法，使用一個(gè)J2120A線路注入器（方法1）和一個(gè)J2130A DC偏置注入器（方法2），對(duì)TI的LM317可調(diào)穩(wěn)壓器的PSRR進(jìn)行了測(cè)量。圖7顯示了近乎完美的重疊圖，其意味著在兩種注入方法之間進(jìn)行了非常好的校正。

圖6 優(yōu)化以后的高保真PSRR和噪聲底限測(cè)量

圖7 使用J2120A和J2130A測(cè)量LM317的PSRR

結(jié)論

本文表明，盡管PSRR測(cè)量在概念上很簡(jiǎn)單，但要想獲得精確的測(cè)量結(jié)果，裝置的好壞極為重要。另外，我們還介紹了降低噪聲底限的方法。

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