電源穩(wěn)定性分析
Moku:Lab頻率響應(yīng)分析儀應(yīng)用指南
在這份應(yīng)用指南中,我們使用Moku:Lab頻率響應(yīng)分析儀來(lái)測(cè)量線性電壓調(diào)節(jié)器在不同頻率激發(fā)下的增益與相位。我們將使用一個(gè)注入變壓器把微小信號(hào)注入一個(gè)反饋回路,觀察兩個(gè)不同負(fù)載電容的相位裕度
頻率響應(yīng)分析儀
Moku:Lab的頻率響應(yīng)分析儀(FRA)通過(guò)輸出正弦掃頻信號(hào)對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行激發(fā),同時(shí)使用混頻法來(lái)測(cè)量反饋信號(hào)的增益與相位,從而得到設(shè)備的傳遞函數(shù)。在這個(gè)應(yīng)用指南中,我們會(huì)把一個(gè)周正弦掃頻信號(hào)通過(guò)注入變壓器注入到一個(gè)線性電壓調(diào)節(jié)器的反饋回路中,并得到這個(gè)系統(tǒng)的相位裕度。
線性電壓調(diào)節(jié)器通常使用一個(gè)反饋回路來(lái)保持電壓的額穩(wěn)定性。我們需要人為注入一個(gè)干擾信號(hào),從而測(cè)量控制回路的響應(yīng)。通常情況下,我們通過(guò)在其反饋回路中加入一個(gè)極小的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)注入與測(cè)量。這個(gè)電阻也被叫做注入電阻(Rinj)。
同大多數(shù)的測(cè)量設(shè)備一樣,Moku:Lab帶有接地的輸入輸出端。但Rinj通常并不接地,因此,我們需要使用注入變壓器來(lái)隔離兩個(gè)電路。這個(gè)應(yīng)用指南中,我們使用了來(lái)自Picotest的J2101A型注入變壓器。
試驗(yàn)儀器設(shè)置
在這個(gè)試驗(yàn)中,我們使用Picotest VRTS 1.5版本的測(cè)試電路板進(jìn)行測(cè)試。圖+一為該電路電路圖。這個(gè)電路使用一個(gè)分流調(diào)節(jié)器(U1)來(lái)控制一個(gè)雙極型晶體管(Q1),將7-10伏左右的電壓轉(zhuǎn)換到3.3 伏,到R3與R4上。此測(cè)試電路提供了多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),以及一個(gè)4.99歐姆的注入電阻R2。測(cè)試點(diǎn)TP3與TP4則用來(lái)連接注入變壓器以及測(cè)量探頭。
開(kāi)關(guān)S1可將切換使用不同的兩個(gè)100微法的輸出電容。其中,C2為鋁電解電容,C3為鉭質(zhì)電容器。LED指示燈則是用來(lái)顯示該電路是否已導(dǎo)通及正常工作。
圖1: VRTS 1.5設(shè)計(jì)圖
圖2:實(shí)驗(yàn)設(shè)置
圖3:VRTS 1.5近距離放大圖
圖二中展示了Moku:Lab,Picotest注入變壓器以及VRTS 1.5測(cè)試電路。圖三中近距離展現(xiàn)了VRTS 1.5以及電源,探頭的連接方法。我們使用Moku:Lab的輸入1的探頭連接至監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP4,輸入2的探頭連接至探測(cè)點(diǎn)TP3。輸出1用來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)所用的掃頻正弦波,輸入給注入變壓器中,并加載到Rinj上。輸出2并未使用。為測(cè)量被測(cè)設(shè)備的傳遞函數(shù),我們將輸入1與輸入2分別連接到注入電阻的兩端。然后,我們通過(guò)Moku:Lab的靈活便捷的iPad用戶界面,即可快速設(shè)置數(shù)學(xué)通道,測(cè)量輸入2/輸入1的頻率響應(yīng),從而得到被測(cè)儀器的傳遞函數(shù)。
起始結(jié)果
首先,將輸出頻率范圍調(diào)節(jié)至100赫茲至10兆赫茲,輸出振幅-15dBm。在測(cè)試中,我們首先使用鉭質(zhì)電容器。圖4展示了首次掃頻所得出的結(jié)果。
圖4:起始結(jié)果
數(shù)學(xué)通道(橙色)展示了系統(tǒng)的Bode圖。
輸入1 (紅色)和輸入 2(藍(lán)色)也分別展示在圖中。
iPad用戶界面提供了方便實(shí)用的光標(biāo)功能。圖中較為明顯的三個(gè)峰分別被光標(biāo)標(biāo)注。
圖中可以看到較為明顯的噪聲。
實(shí)驗(yàn)優(yōu)化
我們通過(guò)提高提平均測(cè)量時(shí)間(至少200毫秒或100周期),并些許提高整定時(shí)間(至少20毫秒或20周期)的方法提高信噪比。新得到的Bode圖中,信噪比明顯提高。
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圖5:噪聲明顯減少,有些許過(guò)載現(xiàn)象
調(diào)整平均測(cè)量時(shí)間與整定時(shí)間后,噪聲明顯減少。
在0分貝增益點(diǎn)處,有些許非線性現(xiàn)象??赡苁怯捎谶^(guò)高驅(qū)動(dòng)電壓所導(dǎo)致。
在100-300千赫區(qū)間有較為明顯的相位噪聲。
或可以通過(guò)減少驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)提升測(cè)量質(zhì)量。
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圖6:鉭質(zhì)電容最終Bode圖
我們將驅(qū)動(dòng)電壓改為-30dBm,并將輸入改為交流耦合,1伏峰-峰輸入范圍。
0dBm點(diǎn)已經(jīng)趨于線性,大約在6.39千赫茲。所得36.9°左右相位裕度。
最后,我們切換開(kāi)關(guān)并檢測(cè)鋁電解電容的響應(yīng)。圖7展示了該電容的Bode圖。
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圖7:鋁電解電容最終Bode圖
0dBm在點(diǎn)大約在8.461千赫茲,相位裕度增長(zhǎng)到了75.295°。
總結(jié)
在這個(gè)應(yīng)用指南中,我們演示了如何使用Moku:Lab頻率響應(yīng)分析儀以及注入變壓器來(lái)測(cè)量線性電壓調(diào)節(jié)器的頻率響應(yīng)。通過(guò)改變,優(yōu)化分析儀的輸出電壓,平均時(shí)間,我們得到了高信噪比的Bode圖。
通過(guò)Bode圖,我們可以看到兩種不同電容的相位裕度。Moku:Lab擁有快捷方便的用戶操作界面,用戶可輕松將采集完數(shù)據(jù)或屏幕截圖直接上傳到云端或者通過(guò)郵件等方式發(fā)送,或?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)直接上傳到電腦上進(jìn)行分析。
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