Ruído da fonte de alimentação

O que é um bom ruído decente na fonte de alimentação?

Deixe-me expandir, dois casos, eu tenho uma fonte de alimentação de bancada, coloquei meu escopo no acoplamento CA e observe a ondulação em torno de 20mV. Esse é um bom número para um PSU decente? (Eu estou brincando com circuitos analógicos, então o ruído de 20mV é grande coisa)

O segundo caso é o meu regulador a bordo, tenho um reforço que leva de 2V a 5V. Olho para os 5V sem carga e vejo uma ondulação de 7mV (serra). Isso é normal? Eu tenho todas as tampas de desacoplamento lá, então eu teria esperado muito menos, especialmente sem uma carga decente.

Pergunta adicional: qual é a melhor maneira de medir o ruído da fonte de alimentação? Eu acho que especialmente com pequenas correntes como essa, tem que haver mais do que tocar com uma sonda?

Obviamente, não há uma resposta única para o que é o ruído "decente" da fonte de alimentação. É como perguntar o que é um carro decente sem nos dizer se é para dirigir em uma pista de corrida ou em estradas de terra do interior.

Se os valores mencionados são decentes, depende de como esse trilho de força será usado. O que você realmente parece estar perguntando é apenas do ponto de vista da fonte de alimentação se esses valores parecem razoáveis ​​ou não. 20mV para um suprimento genérico de bancada me parece bastante razoável, assim como 7mV para um conversor de impulso integrado (na verdade, isso é realmente muito bom comparado a muitos deles).

Seu circuito, no entanto, pode ter uma opinião diferente. Se a fonte de 5V estiver apenas alimentando os circuitos digitais, será muito mais limpo do que precisa. Até 100 mVpp de ondulação seriam toleráveis.

Se você estiver alimentando circuitos analógicos sensíveis, 7mV pode ser grande. Nesse caso, o conteúdo de frequência da ondulação também é importante. A maioria dos CIs analógicos possui uma especificação de rejeição de fonte de alimentação. Há componentes eletrônicos ativos no IC para tornar sua operação um tanto independente da tensão da fonte de alimentação. No entanto, essa eletrônica só pode reagir ao ruído até alguma frequência. Os requisitos de frequência para obter a taxa de rejeição da fonte de alimentação especificada raramente são especificados. É uma boa prática colocar um cordão de ferrite ou um pequeno indutor de chips seguido de uma tampa de cerâmica para aterrar os fios de potência das peças analógicas. Isso atenuará as altas frequências do ruído, com as restantes baixas frequências, esperançosamente, na faixa em que a parte pode manipular e rejeitar ativamente.

Algumas partes são muito mais suscetíveis a isso do que outras. A primeira vez que usei um dos acelerômetros de eixo múltiplo da Freescale, havia muito ruído na saída. O ruído da fonte de alimentação parecia ser amplificado na saída. A adição do indutor de chip acima mencionado em série com tampa no terra do cabo de alimentação ajudou muito a limpar o sinal de saída.

Para responder à sua última pergunta, a maneira normal de analisar o ruído da fonte de alimentação é exatamente o que você fez. AC acopla a entrada do osciloscópio, aumenta o ganho e analisa o tamanho da bagunça resultante.

Eu projetei uma PSU de extremamente baixa potência antes, então deixe-me compartilhar um gráfico que fiz para uma apresentação em que descrevi a diferença de níveis de ruído de várias PSUs. O gráfico mostra o nível de ruído logarítmico em função da frequência de DC a 50 kHz. Não me lembro como a escala no eixo Y é deslocada, mas você pode obter a essência geral da descrição:

• Curva vermelha: representando a fonte de 3,3v de um produto digital típico (em uso), estava na sua faixa de ruído de 10 mV, lembro-me
• Curva roxa: verruga típica da parede mais um LDO de 5.6V de baixo ruído
• Curva azul: acima e mais um regulador de 5V
• Curva negra: meu design de PSU, que tinha cerca de 1-3 uV de ruído

Portanto, dependendo da quantidade de filtragem e design que você faz, o ruído da PSU pode diferir em 4 ordens de magnitude! acho que seus 20 mV de uma fonte de alimentação de bancada são muito bons e padrão (veja a advertência abaixo para saber o ruído da sonda do osciloscópio).

Os osciloscópios normais são praticamente inúteis para qualquer trabalho abaixo de 10 mV, a propósito. Você também deseja examinar a transformação de Fourier (conteúdo espectral) do ruído para tirar conclusões úteis. Obviamente, se você vê algo simples como uma grande onda ou instabilidade, este é um bom começo, mas muitas vezes o ruído não é tão óbvio.

Analisadores de espectro dedicados são o caminho a percorrer, mas normalmente são para uso de RF e variam de 100 kHz a 5 GHz - não é muito interessante se você estiver depurando um amplificador de áudio analógico, por exemplo. Alguns dos modelos mais antigos vão de DC para dizer 100 kHz.

Você também precisa acoplar o ponto de medição ao instrumento por algo que não seja uma sonda de osciloscópio (normal). Você adiciona facilmente dezenas de mV de ruído apenas pelo loop de terra da sonda. Podem ser usadas sondas com fio terra integrado, mas o melhor é um conector e cabo coaxial dedicado da sua PCB.

A maioria das fontes de alimentação comutadas nas quais eu estive envolvido no projeto especifica 1% da saída DC nominal como ondulação máxima pico a pico; 50mV para um trilho de 5V, 120mV para um trilho de 12V, etc.

Os suprimentos lineares tendem a ser muito menos barulhentos, pois não há componente de ondulação de comutação HF na saída.

Não é incomum que um trilho de fonte de alimentação de comutação tenha vários estágios de filtro LC ou alimente um estágio de regulador linear se for necessária uma ondulação extra baixa.

$50\Omega$

Eles parecem níveis normais de ruído em uma linha de fonte de alimentação, mas isso não significa que você tenha muito ruído no sinal analógico. A taxa de rejeição da fonte de alimentação PSRR é o fator que descreve quanto do ruído da fonte de alimentação é sobreposto ao sinal, por exemplo, em uma folha de dados opamp.

As folhas de dados para as duas PSUs de bancada que eu uso especificam ondulações de tensão de 15 a 30 mVpp na faixa de 20 Hz a 20 MHz.

Tudo acima de 100 kHz-1 MHz é cortado por decaps.

Para cortar abaixo de 100 kHz:
1) um regulador linear no chip
2) um bloqueador de ferrite (junto com capacitores para aterramento) entre a fonte de energia e o consumidor de energia
.

Quando percebi que havia uma flutuação "grande" da fonte de alimentação (em torno de 10 a 20 mV), fiquei com medo. No entanto, depois de colocar o ruído transitório no meu CAD 100 kHz, o ruído era uma linha quase plana (eu costumo fazer simulações para unidades de microssegundos, enquanto T = 1/100 kHz = 10 us). Isso ocorre porque frequentemente os dispositivos eletrônicos digitais e analógicos funcionam com as frequências Mega e Giga Hz.

Mas isso depende da aplicação e da frequência de trabalho de um dispositivo em teste.

PS: para ter certeza de que afeta ou não o seu dispositivo, coloque o ruído transitório do VDD no seu simulador e veja se isso afeta os resultados ou não.