Stromversorgungsgeräusch

Was ist ein gutes anständiges Stromversorgungsgeräusch?

Lassen Sie mich erweitern, zwei Fälle, ich habe ein Tischnetzteil, ich setze mein Zielfernrohr in Wechselstromkopplung und schaue auf die Welligkeit, die es um 20mV ist. Ist das eine gute Nummer für ein anständiges Netzteil? (Ich spiele mit ANalog-Schaltkreisen, daher ist 20-mV-Rauschen eine große Sache.)

Der zweite Fall ist mein Bordregler. Ich habe einen Booster, der 2V bis 5V benötigt. Ich schaue auf die 5V ohne Last und sehe eine 7mV Welligkeit (Säge). Ist das normal? Ich habe dort alle Entkopplungskappen, daher hätte ich viel weniger erwartet, insbesondere ohne eine anständige Last.

Bonusfrage, wie lässt sich das Rauschen der Stromversorgung am besten messen? Ich denke, gerade bei kleinen Strömen wie diesen muss es mehr geben als nur eine Sonde zu berühren?

Es gibt natürlich keine einzige Antwort darauf, was "anständiges" Stromversorgungsrauschen ist. Das ist so, als würde man fragen, was ein anständiges Auto ist, ohne uns zu sagen, ob es für das Fahren auf einer Rennstrecke oder auf unbefestigten Straßen im Hinterland geeignet ist.

Ob die von Ihnen genannten Werte angemessen sind, hängt davon ab, wie diese Stromschiene verwendet wird. Was Sie wirklich zu fragen scheinen, ist nur aus Sicht des Netzteils, ob diese Werte angemessen erscheinen oder nicht. 20 mV für eine generische Tischversorgung klingen für mich ziemlich vernünftig, ebenso wie 7 mV für einen integrierten Aufwärtswandler (tatsächlich ist das im Vergleich zu vielen von ihnen ziemlich gut).

Ihre Schaltung kann jedoch eine andere Meinung haben. Wenn die 5-V-Versorgung nur digitale Schaltkreise mit Strom versorgt, ist sie viel sauberer als nötig. Sogar eine Welligkeit von 100 mVpp wäre tolerierbar.

Wenn Sie empfindliche analoge Schaltkreise mit Strom versorgen, können 7 mV groß sein. In diesem Fall ist auch der Frequenzgehalt der Welligkeit von Bedeutung. Die meisten analogen ICs haben eine Spezifikation zur Unterdrückung der Stromversorgung. Der IC verfügt über eine aktive Elektronik, um seinen Betrieb etwas unabhängig von der Versorgungsspannung zu machen. Diese Elektronik kann jedoch nur bis zu einer bestimmten Frequenz auf Rauschen reagieren. Die Frequenzanforderungen zum Erhalten des angegebenen Stromversorgungsunterdrückungsverhältnisses werden selten angegeben. Es ist eine gute Praxis, eine Ferritperle oder einen kleinen Chipinduktor gefolgt von einer Keramikkappe an den Stromkabeln der analogen Teile zu erden. Dadurch werden die hohen Frequenzen des Rauschens gedämpft, wobei die verbleibenden niedrigen Frequenzen hoffentlich in dem Bereich liegen, den das Teil aktiv handhaben und zurückweisen kann.

Einige Teile sind dafür viel anfälliger als andere. Als ich zum ersten Mal eines der mehrachsigen Freescale-Beschleunigungsmesser verwendete, war am Ausgang viel Rauschen zu hören. Das Stromversorgungsrauschen schien tatsächlich am Ausgang verstärkt zu sein. Das Hinzufügen des oben genannten Chipinduktors in Reihe mit der Kappe zur Masse am Stromkabel trug wesentlich zur Bereinigung des Ausgangssignals bei.

Um Ihre letzte Frage zu beantworten, ist die normale Art, das Rauschen des Netzteils zu betrachten, genau das, was Sie getan haben. AC koppeln Sie den Oszilloskop-Eingang, erhöhen Sie die Verstärkung und sehen Sie sich die Größe des resultierenden Durcheinanders an.

Ich habe zuvor ein Netzteil mit extrem geringem Stromverbrauch entworfen. Lassen Sie mich daher ein Diagramm teilen, das ich für eine Präsentation erstellt habe, in der ich den Unterschied in den Geräuschpegeln verschiedener Netzteile dargelegt habe. Die Grafik zeigt den logarithmischen Rauschpegel als Funktion der Frequenz von DC bis 50 kHz. Ich erinnere mich nicht, wie die Skala auf der Y-Achse versetzt ist, aber Sie können den allgemeinen Kern der Beschreibung entnehmen:

• Rote Kurve: Sie repräsentiert die 3,3-V-Versorgung eines typischen digitalen Produkts (wird derzeit verwendet) und lag in Ihrem 10-mV-Rauschbereich, an den ich mich erinnere
• Lila Kurve: typische Wandwarze plus rauscharmer 5,6-V-LDO
• Blaue Kurve: oben und ein weiterer 5-V-Regler
• Schwarze Kurve: Mein Netzteil-Design, das etwa 1-3 uV Rauschen aufwies

Je nach Filterung und Design kann sich das Netzteilrauschen um 4 Größenordnungen unterscheiden! Ihre 20 mV von einem Tischnetzteil sind meiner Meinung nach ziemlich gut und Standard (siehe Vorbehalt unten für das Rauschen der Oszilloskopsonde).

Normale Oszilloskope sind übrigens für Arbeiten unter 10 mV so gut wie wertlos. Sie möchten auch die Fourier-Transformation (spektralen Inhalt) des Rauschens betrachten, um nützliche Schlussfolgerungen zu ziehen. Wenn Sie etwas Einfaches wie eine große Welligkeit oder Instabilität sehen, ist dies natürlich ein guter Anfang, aber oft ist Rauschen nicht so offensichtlich.

Spezielle Spektrumanalysatoren sind der richtige Weg, aber normalerweise sind sie für die HF-Verwendung vorgesehen und reichen von etwa 100 kHz bis 5 GHz - nicht sehr interessant, wenn Sie beispielsweise einen analogen Audioverstärker debuggen. Einige der älteren Modelle gehen von DC auf 100 kHz.

Sie müssen den Messpunkt auch mit etwas anderem als einer (normalen) Oszilloskopsonde mit dem Instrument koppeln. Sie können problemlos Dutzende von mV Rauschen direkt über die Erdungsschleife der Sonde hinzufügen. Es können Sonden mit integriertem Erdungskabel verwendet werden. Am besten ist jedoch ein dedizierter Koaxialstecker und ein Kabel von Ihrer Leiterplatte.

Die meisten Schaltnetzteile, an denen ich beteiligt war, geben 1% des DC-Nennausgangs als maximale Welligkeit von Spitze zu Spitze an. 50 mV für eine 5-V-Schiene, 120 mV für eine 12-V-Schiene usw.

Lineare Versorgungen sind in der Regel viel leiser, da am Ausgang keine HF-Schaltwelligkeitskomponente vorhanden ist.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine Schaltnetzteilschiene mehrere LC-Filterstufen aufweist oder eine Linearreglerstufe speist, wenn eine besonders geringe Welligkeit erforderlich ist.

$50\Omega$

Diese sehen aus wie normale Rauschpegel auf einer Stromversorgungsleitung, aber das bedeutet nicht, dass Ihr analoges Signal so viel Rauschen enthält. Das Netzteil-Ablehnungsverhältnis PSRR ist der Faktor, der beschreibt, wie viel Stromversorgungsrauschen dem Signal überlagert ist, beispielsweise in einem Opamp-Datenblatt.

Datenblätter für die beiden von mir verwendeten Tischnetzteile geben eine Spannungswelligkeit von 15 bis 30 mVpp im Bereich von 20 Hz bis 20 MHz an.

Alles über 100 kHz-1 MHz wird durch Decaps abgeschnitten.

Unter 100 kHz abschalten:
1) Ein linearer On-Chip-Regler
2) Eine Ferritdrossel (zusammen mit Kondensatoren gegen Masse) zwischen der Stromquelle und dem Stromverbraucher
kann verwendet werden.

Als ich zum ersten Mal feststellte, dass die Stromversorgung so stark schwankt (ca. 10-20 mV), hatte ich Angst. Nachdem ich das transiente Rauschen in mein CAD-100-kHz-Rauschen eingefügt hatte, war es eine nahezu flache Linie (ich mache normalerweise Simulationen für Einheiten von Mikrosekunden, während T = 1/100 kHz = 10 us). Dies liegt daran, dass digitale und analoge elektronische Geräte häufig mit Mega- und Giga-Hz-Frequenzen arbeiten.

Dies hängt jedoch von der Anwendung und der Arbeitsfrequenz eines zu testenden Geräts ab.

PS: Um sicherzugehen, ob es sich auf Ihr Gerät auswirkt oder nicht, geben Sie das vorübergehende VDD-Rauschen in Ihren Simulator ein und prüfen Sie, ob es die Ergebnisse beeinflusst oder nicht.