Netzteilrauschen

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

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

Ihre Schaltung kann jedoch anderer Meinung sein. Wenn die 5-V-Versorgung nur digitale Schaltkreise mit Strom versorgt, ist sie viel sauberer als nötig. Sogar 100 mVpp Welligkeit wären tolerierbar.

Wenn Sie empfindliche analoge Schaltungen mit Strom versorgen, können 7 mV groß sein. In diesem Fall spielt auch der Frequenzgehalt der Welligkeit eine Rolle. Die meisten analogen ICs haben eine Stromversorgungsunterdrückungsspezifikation. Es gibt eine aktive Elektronik im IC, um seinen Betrieb etwas unabhängig von der Versorgungsspannung zu machen. Diese Elektronik kann jedoch nur bis zu einer gewissen Frequenz auf Rauschen reagieren. Die Frequenzanforderungen zum Erreichen des angegebenen Stromversorgungsunterdrückungsverhältnisses werden selten angegeben. Es hat sich bewährt, eine Ferritperle oder einen kleinen Chip-Induktor, gefolgt von einer Keramikkappe, auf die Stromleitungen von analogen Teilen zu legen. Dadurch werden die hohen Frequenzen des Rauschens gedämpft, wobei die verbleibenden niedrigen Frequenzen hoffentlich in dem Bereich liegen, den das Teil verarbeiten und aktiv zurückweisen kann.

Einige Teile sind dafür viel anfälliger als andere. Als ich das erste Mal einen der mehrachsigen Beschleunigungsmesser von Freescale benutzte, war am Ausgang viel Rauschen zu hören. Das Netzteilrauschen schien tatsächlich auf den Ausgang verstärkt zu werden. Das Hinzufügen des oben erwähnten Chip-Induktors in Reihe mit einer Kappe zur Masse an der Stromleitung hat viel dazu beigetragen, das Ausgangssignal zu bereinigen.

Um Ihre letzte Frage zu beantworten: Die normale Betrachtungsweise des Netzteilrauschens ist genau das, was Sie getan haben. AC-koppeln Sie den Oszilloskopeingang, drehen Sie die Verstärkung hoch und sehen Sie sich die Größe des resultierenden Durcheinanders an.

Ich habe zuvor ein extrem stromsparendes Netzteil entworfen, also lassen Sie mich ein Diagramm teilen, das ich für eine Präsentation erstellt habe, in der ich den Unterschied im Geräuschpegel verschiedener Netzteile skizziert 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 aus der Beschreibung entnehmen:

• Rote Kurve: Stellt die 3,3-V-Versorgung eines typischen digitalen Produkts dar (in Betrieb), sie lag in Ihrem Rauschbereich von 10 mV, an den ich mich erinnere
• Violette Kurve: typischer Wall-Wart plus ein rauscharmer 5,6-V-LDO
• Blaue Kurve: die obige plus ein weiterer 5-V-Regler
• Schwarze Kurve: mein PSU-Design, das etwa 1-3 uV Rauschen hatte

Je nachdem, wie viel Filter und Design Sie verwenden, kann sich das Netzteilrauschen also um 4 Größenordnungen unterscheiden! Ihre 20 mV von einem Tischnetzteil sind meiner Meinung nach ziemlich gut und Standard (siehe Einschränkung unten für das Rauschen der Oszilloskopsonde).

Normale Oszilloskope sind für Arbeiten unter 10 mV übrigens ziemlich wertlos. Sie sollten sich auch die Fourier-Transformation (spektraler Inhalt) des Rauschens ansehen, 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.

Dedizierte Spektrumanalysatoren sind der richtige Weg, aber normalerweise sind sie für den HF-Einsatz 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 bis zu sagen wir 100 kHz.

Außerdem müssen Sie den Messpunkt mit etwas anderem als einem (normalen) Oszilloskop-Tastkopf mit dem Instrument koppeln. Sie können ganz einfach Dutzende von mV Rauschen hinzufügen, nur durch die Masseschleife von der Sonde. Sonden mit integriertem Massekabel können verwendet werden, aber am besten ist ein dedizierter Koaxialstecker und ein Kabel von Ihrer Leiterplatte.

Die meisten Schaltnetzteile, an deren Design ich beteiligt war, geben 1 % des Nenn-DC-Ausgangs als maximale Spitze-zu-Spitze-Welligkeit an; 50 mV für eine 5-V-Schiene, 120 mV für eine 12-V-Schiene usw.

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

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

Die Welligkeitsmessung ist eine Kunstform für sich. Sie müssen Maßnahmen ergreifen, um kein Gleichtaktrauschen aufzunehmen. Oft wird das für die Messung verwendete Oszilloskop auf eine reduzierte Bandbreite eingestellt (20 MHz ist üblich) und Kondensatoren werden verwendet, um „fremde“ HF zu beseitigen (um die Schaltwelligkeit und die Netzfrequenzkomponenten sichtbar zu halten) – 100 nF parallel zu 10 uF ist es nicht unerhört. Manchmal, ein$50\Omega$Widerstand wird als Last (zusammen mit den Kondensatoren) verwendet und die Verbindung zum Oszilloskop wird mit einem abgeschirmten Koaxialkabel hergestellt.

Diese sehen aus wie normale Rauschpegel auf einer Stromversorgungsleitung, aber das bedeutet nicht, dass Sie so viel Rauschen in Ihrem analogen Signal haben. Das Power Supply Rejection Ratio PSRR ist der Faktor, der beschreibt, wie viel des Netzteilrauschens dem Signal überlagert wird, 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.

Zum Abschalten unter 100 kHz:
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 bemerkte, dass es eine so "große" Schwankung der Stromversorgung gibt (etwa 10-20 mV), hatte ich Angst. Nachdem ich das transiente Rauschen jedoch 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). Denn häufig arbeiten digitale und analoge elektronische Geräte mit Mega- und Giga-Hz-Frequenzen.

Dies hängt jedoch von der Anwendung und der Arbeitsfrequenz eines Prüflings ab.

PS: Um sicher zu sagen, ob es sich auf Ihr Gerät auswirkt oder nicht, legen Sie das transiente VDD-Rauschen in Ihren Simulator und sehen Sie, ob es die Ergebnisse beeinflusst oder nicht.