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)分析儀來測量線性電壓調(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)通過輸出正弦掃頻信號對被測設(shè)備進(jìn)行激發(fā)，同時(shí)使用混頻法來測量反饋信號的增益與相位，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)周正弦掃頻信號通過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，從而測量控制回路的響應(yīng)。通常情況下，我們通過在其反饋回路中加入一個(gè)極小的電阻來實(shí)現(xiàn)信號注入與測量。這個(gè)電阻也被叫做注入電阻（Rinj）。

同大多數(shù)的測量設(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隔離兩個(gè)電路。這個(gè)應(yīng)用指南中，我們使用了來自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版本的測試電路板進(jìn)行測試。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。此測試電路提供了多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，以及一個(gè)4.99歐姆的注入電阻R2。測試點(diǎn)TP3與TP4則用來連接注入變壓器以及測量探頭。

開關(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)測點(diǎn)TP4，輸入2的探頭連接至探測點(diǎn)TP3。輸出1用來產(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。為測量被測設(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，測量輸入2/輸入1的頻率響應(yīng)，從而得到被測儀器的傳遞函數(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

我們通過提高提平均測量時(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，有些許過載現(xiàn)象

調(diào)整平均測量時(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^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。

或可以通過減少驅(qū)動(dòng)電壓來提升測量質(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，我們切換開關(guān)并檢測鋁電解電容的響應(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測量線性電壓調(diào)節(jié)器的頻率響應(yīng)。通過改變，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。