CC BY
239Петер КАСЕНБАХЕР
Измерение шумов источника питания
с помощью осциллографа
Современные полупроводниковые приборы отличаются высокой скоростью переключения, большей крутизной фронтов, большим числом активных выводов и малым размахом сигнала.
Введение
Повышение скорости переключения, крутизны фронтов и увеличение числа активных выводов корпуса приводит к увеличению наведенного коммутационного шума в источниках питания. В то же время повышается восприимчивость схем к шумам источника питания, поскольку снижение амплитуды сигнала приводит к сужению границ допустимых значений шума.
В результате конструкторы всех устройств — от сотовых телефонов до серверов — все больше уделяют внимание шумам источника питания. Как правило, для измерения шумов источников питания используются осциллографы реального времени, что связано с широкополосным характером этих шумов. В этой статье обсуждаются шумы источников питания и их измерение с помощью осциллографа Agilent серии Infiniium 8000.
«Шум»
В идеальном случае источник питания шуметь не должен, так почему же он шумит? Простой гауссовский шум, неизбежно порождаемый тепловыми процессами, в данном случае не является доминирующим. Главным источником шумов в большинстве цифровых схем являются процессы коммутации.
Импульсные источники питания порождают собственные шумы — как правило, на частотах, кратных рабочей частоте преобразователя. Кроме того, в момент переключения логических схем и формирователей импульсного сигнала возникают переходные токи, оказывающие дополнительную нагрузку на источник питания. Хотя такие переключения могут происходить в случайные моменты времени, они так или иначе привязаны к тактовой частоте системы. Поэтому их следует считать не столько «шумами», сколько «сигналами», накладывающимися на постоянное напряжение источника питания (рис. 1). Такой подход к рассмотрению шума значительно упрощает его анализ.
HlL1 UJTll'ul IsL'iJJ №U"JU и An&dU UllllUL-j HL‘lp 1:*1B KM
Рис. 1. «Сигналы», накладывающиеся на постоянное напряжение источника питания
Проблемы, возникающие при измерении
Широкополосная природа шумов источника питания вынуждает исследователей использовать для его измерения осциллографы. Осциллографы дают уникальную возможность взглянуть на природу возникновения шума. Но, к сожалению, широкополосные цифровые осциллографы реального времени и осциллографические щупы обладают собственными шумами, которые следует учитывать. Если измеряемый уровень шума источника питания имеет тот же порядок, что и собственные шумы осциллографа и щупа, точное измерение шума сильно затрудняется.
Другую проблему представляет динамический диапазон. Сигнал источника питания привязан к постоянному напряжению. Небольшое переменное напряжение шума, наложенное на это постоянное напряжение, составляет обычно лишь очень малую его часть. Для многих осциллографов и щупов такое постоянное смещение может оказаться проблематичным, особенно при измерении с большой чувствительностью (для оптимального отображения шума при минимальном уровне шумов осциллографа).
Методы и передовой опыт измерений
Существует множество методов, позволяющих улучшить эффективность измерения шумов источника питания.
Оценка шумового вклада осциллографа и щупа
Очевидно, что для достижения максимальной точности измерения осциллограф и щуп должны обладать достаточно низким уровнем собственных шумов.
Природа собственных шумов осциллографа поясняется блок-схемой на рис. 2. В системе «щуп-осциллограф» присутствует два основных источника шума. С одной стороны, некоторый шум вносят входной усилитель и буферные схемы осциллографа, а с другой — обладает шумами усилитель щупа. Все осциллографы используют аттенюатор для установки вертикального размаха сигнала. Из-за этого аттенюатора шум осциллографа возрастает. Поэтому если аттенюатор установлен на любое значение, кроме 1:1 (соответствующее максимальной чувствительности осциллографа), отображаемый шум, приведенный к входному разъему осциллографа, будет расти. Например, возьмем осциллограф с собственной чувствительностью без аттенюатора 5 мВ/дел. Предположим, что при такой чувствительности он имеет собственный уровень шумов 500 мкВ (среднеквадратическое).
Чтобы снизить чувствительность до 50 мВ/дел., последовательно с входом осциллографа включается аттенюатор 10:1. При этом значение отображаемого шума, приведенное ко входу аттенюатора, будет равно 5 мВ среднеквадратического значения (500 мкВ умножить на 10). Поэтому, во избежание нежелательного «усиления» собственных шумов осциллографа, нужно использовать диапазон с наибольшей чувствительностью. Шум, создаваемый щупом, попадает в систему до входного аттенюатора осциллографа, поэтому его вклад не зависит от коэффициента ослабления.
Всегда используйте дифференциальный щуп
В большинстве случаев шум щупа значительно превосходит шум осциллографа при максимальной чувствительности. Большинство источников питания без проблем выдерживают нагрузку 50 Ом входа осциллографа, так зачем же добавлять еще и шум щупа? Ответ кроется в динамическом диапазоне.
Чтобы сигнал оказался в центре экрана и в середине рабочей характеристики АЦП осциллографа при измерении шума источника питания напряжением 1,5 В, осциллограф должен обеспечить работу при смещении 1,5 В. Наиболее чувствительный диапазон, в котором осциллограф позволяет подать на вход смещение 1,5 В, равен 100 мВ/дел. В диапазоне 100 мВ/дел. шум осциллографа составляет ~3 мВ (среднеквадратическое). К тому же в диапазоне 100 мВ/дел. измеряемый шум будет использовать лишь малую часть рабочей характеристики АЦП, что приведет к потере разрешения.
Если сам осциллограф способен работать с необходимым смещением лишь при минимальной чувствительности, ситуацию могут исправить возможности щупа. Используя активные щупы, работающие с большим уровнем смещения, можно достичь большей точности измерения и снизить влияние собственных шумов осциллографа. Активный дифференциальный щуп обеспечивает смещение сигнала на 1,5 В, позволяя тем самым использовать для измерения более чувстви-
тельный диапазон 10 мВ/дел. и получать более точные результаты.
Для решения проблемы динамического диапазона можно использовать также вход со связью по переменному току (если осциллограф это допускает). Если осциллограф имеет входное сопротивление 50 Ом, и инженер хочет использовать коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом и щуп с коэффициентом передачи 1:1, то для подключения сигнала по переменному току можно использовать включенный последовательно со входом разделительный конденсатор. Разделительный конденсатор должен обеспечивать измерение минимальной частоты шумового спектра. Недостатком подключения по переменному току является то, что оно не позволяет наблюдать медленный дрейф напряжения источника питания.
Анализ с помощью
быстрого преобразования Фурье
Большинство цифровых осциллографов реального времени имеют функцию быстрого преобразования Фурье (FFT). После каждого запуска осциллограф может обработать конечный фрагмент сигнала, длительность которого определяется объемом памяти и частотой дискретизации осциллографа. Разрешение сигнала в частотной области, которое получается с помощью FFT, определяется уравнением:
F = 1/[1/(частота дискретизации)х х(объем памяти в отсчетах)].
Чтобы увидеть в FFT предполагаемый источник шума, объем памяти должен быть достаточно большим для захвата достаточного числа отсчетов. Например, если импульсный источник питания работает на частоте 33 кГц, нужно захватить сигнал длительностью 1/(33 кГц), то есть 30 мкс. При частоте дискретизации 20х109 отсчетов/с это эквивалентно 600 000 ячеек памяти.
В цифровых запоминающих осциллографах серии 8000 и осциллографах серии DSO 80 000 компании Agilent функция FFT работает только с данными, видимыми на экране. Чтобы увидеть минимальные часто-
ты для выбранного объема памяти и частоты дискретизации, скорость развертки надо установить так, чтобы вся память оказалась на экране. Это очень легко определить по расположенному над шкалой индикатору памяти.
Анализ ББТ позволяет глубже исследовать свойства сигнала. Он обеспечивает быстрый анализ источников шума. Например, если устройство содержит блок питания с частотой преобразования 33 кГц и тактовый генератор 500 МГц, пики наблюдаются на частоте 33 кГц и на часто-
тах, кратных 500 МГц. Относительная амплитуда этих пиков позволяет в первом приближении оценить вносимый ими уровень шума.
На рис. 3 показаны результаты анализа ББТ, где кроме белого шума видны еще две составляющие. Одна из них лежит на частоте 49,5 МГц, а другая — на частоте 500 МГц.
Другой способ повышения заметности пиков заключается в усреднении ББТ. Истинно случайный шум существенно подавляется при усреднении ББТ, что позволяет выделять из шума очень слабые сигналы.
Синхронизация с предполагаемыми источниками и применение усреднения для подавления некоррелированного шума
В некоторых случаях удается засинхронизи-роваться с сигналом, совпадающим по фазе с источником неслучайного шума, и затем использовать усреднение. Усреднение позволяет уменьшить или подавить все компоненты, не коррелирующие с синхросигналом. Таким образом можно выделять компоненты сигнала, которые в противном случае маскировались бы случайным шумом самого источника питания или осциллографа и щупа.
На рис. 4 показан пример синхронизации от сигнала прямоугольной формы. Сигнал прямоугольной формы может представлять, например, шум коммутации, возникающий на выходах мощных каскадов или в результате других переходных процессов в цепи нагрузки. Шумовые составляющие, относящиеся к сигналу синхронизации, хорошо видны на фоне других шумов.
Заключение
Измерение шумов источников питания порождает определенные проблемы. Благодаря присущей ему широкой полосе, оптимальным прибором для таких измерений является осциллограф. В этой статье перечислены некоторые методы, которые можно использовать для таких измерений. При условии правильного выбора осциллографа и щупа эти методы позволяют эффективно измерять шум источников питания. ■
Литература
1. Суть и применение смещения в активных щупах ¡пйтМах. Указания по применению 5988-9264ЕЛ
2. Сравнение параметров дифференциальных и несимметричных активных датчиков напряжения. Указания по применению 5988-8006Е^
3. www.agilent.com/find/scopes
