CN110501623A - 一种低噪声ldo输出噪声测试的实现方法 - Google Patents

一种低噪声ldo输出噪声测试的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明设计一种低噪声低压差电压调整器(LDO)输出噪声测试的实现方法，采用低噪声镍氢电池组作为偏置源进行供电，并在测试电路中加入滤波电容和耦合电容以降低本底噪声及其对输出噪声测试的影响。测试所用系统由偏置电压源、偏置电路、适配器、低通滤波器、前置放大器、数据采集卡和噪声分析软件等部分组成。本发明可以计算出在一定频率范围内的LDO输出噪声电压，具有噪声电压测量精度较高、测试灵活、平台搭建简单等特点。其可用于低噪声LDO研制生产、测试鉴定、验证评估等多个阶段的噪声测试，根据测试结果完成参数提取与分析，记录每个LDO的噪声特性，为该类器件装机产品的质量状况提供判断依据，具有实际推广应用价值。

Description

一种低噪声LDO输出噪声测试的实现方法
技术领域
本发明设计一种低噪声低压差电压调整器(LDO)输出噪声测试的实现方法，它用于低噪声LDO研制生产、测试鉴定、验证评估等多个阶段的噪声测试，并根据测试结果完成参数提取与分析，量化记录每个LDO的噪声特性，为该类器件装机产品的质量状况提供判断依据。本发明也可用于国家军用标准(或国家标准、行业标准)规定有低频噪声指标的LDO的噪声测试与分析，属于元器件可靠性工程技术领域。
背景技术
电子器件(包括半导体分立器件和集成电路)的内部噪声(特别是低频噪声)不仅是制约器件灵敏度和检测精度的一个关键指标，而且是表征器件质量和可靠性的一项重要的敏感参数。电子器件的低频噪声不仅反映了器件由于各种应力引起的缺陷，而且反映了器件潜在的本征缺陷。大量的国内外试验已经证明，噪声方法来表征应力在电子器件中引起的缺陷，要比传统的电参数检测方法表征地更加敏感，甚至在一些电参数尚未明显变化时，噪声参数已经变化了几个数量级；更为重要的是对于电子器件中潜在的本征缺陷是用传统的电参数检测方法探测不到的，同时常规的老化试验一般均为破坏性的，且成本高，周期长。所以从这个角度来说，噪声是一种无损的、更加全面的可靠性表征方法。
输出噪声指标是衡量LDO品质的一个极其重要的关键参数，而它的测试方法的确定也因此变得极为重要。当前，不同单位在测试条件上和测试方法上的不统一和不规范，使得测试出来的数据存在差别，使新品鉴定单位难以准确判断低噪声LDO的技术指标是否达到要求。此外，由于低噪声LDO的输出噪声很小，如LT1963的输出噪声要求小于20uV，如果测试方法不当，LDO输出噪声信号就会被测试设备本身产生的背景噪声所干扰，从而得到错误的LDO输出噪声技术指标。这些困难给LDO产品的检测与应用评价带来不利影响，因此，迫切需要研究该类器件的输出噪声测试方法。
输出噪声的测试指标有两种:一种是表示为以μVrms为单位的输出噪声电压的总均方根，这是在某一频率范围内的噪声的有效值的量度，因此可以被认为是特定频率范围内的总噪声；另外一种则是从功率谱密度函数曲线给出输出噪声电压或主要参数的功能，即给定一些或某些特定频点噪声的频谱密度它的单位为μV/Hz。自功率谱密度函数曲线也经常被用于一些低噪声运放电路中，表示电路的输入噪声特性。
传统的输出噪声测试一般采用正弦波测试方法，利用测量放大器、滤波器、检测器、积分器等仪器设备搭建所形成的测试系统，以实现电子器件在特定频带带宽条件下的噪声测试。对于低噪声LDO，输出噪声可能被测试系统的背景噪声所淹没，因此不适用于低噪声LDO输出噪声的测试。本发明基于谱估计法，对LDO器件的输出电压随机信号序列进行功率谱密度估计算法，进而得出输出噪声谱密度与宽带噪声。
发明内容
1.发明目的
本发明的目的在于完成对低噪声LDO输出噪声参数的测量、采集和分析，建立完整的LDO输出噪声评价流程，为被测器件的质量状况提供判断依据。
2.技术方案
本发明基于标准手册中的原理电路进行测试，测试所用系统由偏置电压源、偏置电路、适配器、低通滤波器、前置放大器、数据采集卡和噪声分析软件等部分组成。测试系统的具体组成如图1所示。
①偏置电压源
低噪声电压源为待测器件低频噪声测试提供稳定的低噪声电压。低噪声电压偏置源主要有两种实现方法，其中最为简单实用的方法为采用低噪声镍氢电池组，但要实现大的电压时需要将其进行串联。此外对镍氢电池自身噪声测试结果表明，采用电池供电的噪声电压测试方法可以满足10μV量级的LDO噪声电压测试需求，达到对低压差线性电压调整器低噪声电压的进行准确考核的目的。
本发明采用的电源为低噪声、低自放电及大容量镍氢电池组，提供稳定低噪声的电压输出，同时具备充电功能，以及对外仪器设备的开放接口。内部镍氢充电电池组由两个24V/2000mAh电池组和一个21.6V/2000mAh电池组组成，需要实现大的电压时需要将其进行串联。该电池组可为待测器件提供正偏置电压+28V(饱和充电)及负偏置电压-28V(饱和充电)，输出电压是多级可变的，实际输出电压受充电情况的影响在标称值的±15％范围内。电源的噪声水平(含正、负电压)小于0.2μV(带宽在1～300Hz)。同时本偏置组件内部设计一路充电电路，同时实现对正、负电源的充电能力。本低噪声偏置器组件提供外部电流、电压表测试接口，可通过外部测试设备对本组件输出的正、负电压，正极输出端电流进行。
本发明采用镍氢电池组供电进行LDO噪声电压测试。该方法通过降低输入噪声对LDO输出噪声的影响，在基于电池供电的条件下通过频谱分析对LDO噪声谱密度进行测量，可以计算出在一定频率范围内的LDO输出噪声电压，具有噪声电压测量精度较高、测试灵活、平台搭建简单等特点。
一般来说，电池的输出阻抗随着频率的增加而增加，因此在电池供电的电路中使用旁路滤波电容，可以最大程度降低电源噪声，避免对元器件噪声测试结果的准确度造成影响。因此在本发明中，使用1μF的电容进行滤波。
②偏置电路与器件噪声适配器
器件偏置电路主要是根据待测器件噪声测试的具体要求，提供偏置电压、偏置电流等，使之处于相应的测试状态，为减少偏置电路导致的额外噪声，电阻须选用低噪声线绕滑动变阻器。直流偏置测量技术是噪声测试的最基本的方法，基本方法是施加直流工作电压，使器件处于恒定稳态直流的正常工作条件下，并直接对输出端口信号进行放大和测试。在噪声测试中需要将被测噪声信号进行足够的放大，且对直流电压不放大。一般情况下通过直流偏置的交流耦合技术来解决这一问题。即在被测器件输出端加入耦合电容，图2为一种实用的直流偏置交流耦合噪声测量原理。由于耦合电容具有隔直流通交流的作用，该原理能够有效的将直流分量进行隔离，为后级信号放大提供可能，否则将使后级放大饱和而不能有效放大噪声信号。由于直流偏置交流耦合方法的简单易操作性，故当电子元器件测试频率相对较高(>0.1hz)时常会采用该方法。本发明使用简单直流偏置交流耦合噪声测量原理电路，在输出端使用10μF的耦合电容。偏置电路设置偏置开关、偏置充电开关、偏置电压旋钮、电压测试开关、电流测试开关、放大器开关、放大倍数选择旋钮、输入控制开关和放大充电开关。输入控制控制放大器的输入耦合方式，包括接地、直流和交流等三种方式。
器件噪声适配器是用来放置被测样品的金属盒，主要是实现偏置电路低噪声前置放大器的连接。它是针对具体测试器件设计的测试夹具和测试条件调节装置，还可以实现对被测器件电压、电流的监测，为测试不同的器件提供便利。LDO输出噪声测试适配器包括电压测试开关、电流测试开关、电源开关和电流调节旋钮。电源开关共有两个开关状态：“开”为器件测试电源开：对器件施加正测试电压，既将偏置器输出的正电压源接入测试电路；“电源关”为电源关闭状态：关闭测试电源。电压测试开关：该开关位采用三档钮子开关，共有三个开关状态：“in”：对LDO输入电压进行测试，即将器件的输入端电压输出到偏置器的电压测试电路；“电压表关”：断开电压测试电路；“out”：对LDO输出电压进行测试，即将器件输出端电压输出到偏置器的电压测试电路。
③前置放大器和低通滤波器
低通滤波器的作用主要是滤除高频噪声信号，避免高频对低频信号的干扰，减小低频噪声测试误差。低噪前置放大器放大倍数100、500、1K、2K、5K、10K及50K可调。增益精度优于3％。畸变优于1‰。等效输入噪声电流谱密度优于(带宽1Hz～1kHz)。等效输入噪声电压谱密度小于(1Hz)，小于(10Hz)，小于(100Hz)。等效输入噪声电压小于0.2uV(带宽1Hz-300Hz)。输入耦合方式为交流/直流/接地。充电电流约400mA。充电时长。约7小时。充电限制电压：±13.5V。
④数据采集部分和噪声测试分析软件
测试系统的软件部分包括数据采集部分和噪声测试分析软件。噪声信号经过前端放大器放大后，由数据采集部分进行采集，再通过模数转换将采集到电信号转换成器件的低频电噪声信号。噪声测试分析软件利用编程技术，对噪声信号进行处理、分析，将所得到的电噪声信号通过傅里叶变化，再基于谱估计方法，来实现噪声信号的时域分析和频域分析，即实现数据时域到频域的转换、测量电压功率谱、分析噪声谱分量、点频噪声、宽带噪声。
本发明采用低噪声镍氢电池组作为偏置源进行供电，并在测试电路中加入滤波电容和耦合电容以降低本底噪声及其对输出噪声测试的影响，得出低噪声LDO输出噪声测试的实现方法。搭建符合要求的输出噪声测试系统，结合典型器件进行验证。基于搭建好的输出噪声测试系统，本发明所进行的LDO的输出噪声测试流程如图3，步骤如下：
步骤一，针对不同的LDO器件内部电路与管脚分布的不同情况，设计适用于测试该器件输出噪声的偏置电路及适配器。针对LDO器件的输出噪声测试的偏置电路通用基本设计图如图4所示。图中使用滤波电容与耦合电容实现低噪声偏置环境，以用于输出噪声测试。
步骤二，将待测LDO器件安装在适配器上。打开电压源上的偏置开关与器件噪声适配器上的供电开关，确保采用镍氢电池组的低噪声电压源给待测LDO器件供电。
步骤三，打开器件噪声适配器上的电压测试开关与电流测试开关，将偏置器上的电压测试与电流测试调至偏置器预测试状态；LDO器件的输出电压，即可在软件页面中显示。
步骤四，调节负载电路的阻值，LDO器件的输出电压也会同时发生变化，使负载电流满足LDO输出噪声测试时的负载条件，判断LDO器件处于正常工作状态，即处在线性区。若处于正常工作状态，则准备开始噪声测试，否则重新调节负载电路的阻值。
步骤五，打开噪声测试分析软件，设置输出噪声测试的扫描频率范围和采样点等信息，对待测LDO器件输出电压噪声进行谱密度测试，测试后将实验数据存盘。
步骤六，测试数据存盘后，结束正式噪声测试步骤。在噪声测试与分析软件中调用器件输出噪声的频谱数据，对测试数据进行频谱分析。
3.优点及效果
本发明基于国军标手册中的输出噪声测试原理框图，采用低噪声镍氢电池组作为偏置源进行供电，并在测试电路中加入滤波电容和耦合电容以降低本底噪声及其对输出噪声测试的影响。本发明可以计算出在一定频率范围内的LDO输出噪声电压，具有噪声电压测量精度较高、测试灵活、平台搭建简单等特点。利用具体器件对测试方法进行验证，该测试方法可有效降低测试系统本底噪声对噪声测试结果的影响，所述测试系统可测出水平低于20μVrms的输出噪声。
附图说明
图1低频噪声测试系统框图
图2简单直流偏置交流耦合噪声测量原理
图3 LDO噪声测试流程
图4 LDO输出噪声测试的偏置电路基本设计
图5 LT1763输出噪声测试电路
图6 LT1763输出噪声功率谱密度
具体实施方式
下面结合LT1763CS8-2.5低压差线性稳压器的输出噪声测试案例，对本发明所述的电子器件低频噪声测试系统进行说明，具体实施步骤如下。
步骤一，针对该LDO器件的内部电路与管脚分布情况，设计适用于器件噪声偏置电路及适配器。当输入电压在3.5V-20V范围内时，器件输出电压约为2.5V，10-100kHz的宽带噪声水平在20μVrms以下。针对LT1763CS8-2.5器件的输出噪声测试的偏置电路设计图如图5所示。图中使用滤波电容与耦合电容实现低噪声偏置环境，以用于输出噪声测试。
步骤二，将待测LDO器件安装在适配器上，打开电压源上的偏置开关与器件噪声适配器上的供电开关，确保采用镍氢电池组的低噪声电压源给待测LDO器件供电。
步骤三，打开器件噪声适配器上的电压测试开关与电流测试开关，将偏置器上的电压测试与电流测试调至偏置器预测试状态；LDO器件的输出电压，即可在软件页面中显示。
步骤四，调节负载电路的阻值，LDO器件的输出电压也会同时发生变化，判断LDO器件处于正常工作状态，即处在线性区。若处于正常工作状态，则准备开始噪声测试，否则重新调节负载电路的阻值。调节输出电压在2.5V左右，LT1763CS8-2.5处于线性区。
步骤五，打开噪声测试分析软件，设置输出噪声测试的扫描频率范围和采样点等信息，对待测LDO器件输出电压噪声进行谱密度测试，测试后将实验数据存盘。
LT1763CS8-2.5的输出噪声谱密度测试数据如表1所示。
表1 LT1763CS8-2.5的输出噪声谱密度测试数据
步骤六，测试数据存盘后，结束正式噪声测试步骤。在噪声测试与分析软件中调用器件输出噪声的频谱数据，对测试数据进行频谱分析。
LT1763CS8-2.5的输出噪声功率谱密度图如图6所示。
由试验数据可看出，本发明可以测得LT1763CS8-2.5低压差线性稳压器水平低于20μVrms的输出噪声，采用的测试方法可有效降低测试系统本底噪声对噪声测试结果的影响，软件系统可以对结果进行详细的频谱分析。

Claims (6)

1.一种低噪声LDO输出噪声测试的实现方法，其特征在于：它是由偏置电压源、偏置电路、适配器、低通滤波器、前置放大器、数据采集卡和噪声分析软件等部分组成；它们相互之间的关系是：低噪声电压源为待测器件低频噪声测试提供稳定的低噪声电压；器件偏置电路主要是根据待测器件噪声测试的具体要求，提供偏置电压、偏置电流等，使之处于相应的测试状态；器件噪声适配器是用来放置被测样品的金属盒，主要是实现偏置电路低噪声前置放大器的连接。它是针对具体测试器件设计的测试夹具和测试条件调节装置，还可以实现对被测器件电压、电流的监测，为测试不同的器件提供便利；低通滤波器的作用主要是滤除高频噪声信号，避免高频对低频信号的干扰，减小低频噪声测试误差；噪声信号经过前端放大器放大后，由数据采集部分进行采集，再通过模数转换将采集到电信号转换成器件的低频电噪声信号。噪声测试分析软件利用编程技术，对噪声信号进行处理、分析，将所得到的电噪声信号通过傅里叶变化，再基于谱估计方法，来实现噪声信号的时域分析和频域分析，即实现数据时域到频域的转换、测量电压功率谱、分析噪声谱分量、点频噪声、宽带噪声。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声LDO输出噪声测试的实现方法，其特征在于：该测试方法的操作实施步骤如下：
步骤一，针对不同的LDO器件内部电路与管脚分布的不同情况，设计适用于测试该器件输出噪声的偏置电路及适配器，使用滤波电容与耦合电容实现低噪声偏置环境，以用于输出噪声测试；
步骤二，将待测LDO器件安装在适配器上，打开电压源上的偏置开关与器件噪声适配器上的供电开关，确保采用镍氢电池组的低噪声电压源给待测LDO器件供电；
步骤三，打开器件噪声适配器上的电压测试开关与电流测试开关，将偏置器上的电压测试与电流测试调至偏置器预测试状态，LDO器件的输出电压，即可在软件页面中显示；
步骤四，调节负载电路的阻值，LDO器件的输出电压也会同时发生变化，使负载电流满足LDO输出噪声测试时的负载条件，判断LDO器件处于正常工作状态，即处在线性区；若处于正常工作状态，则准备开始噪声测试，否则重新调节负载电路的阻值；
步骤五，打开噪声测试分析软件，设置输出噪声测试的扫描频率范围和采样点等信息，对待测LDO器件输出电压噪声进行谱密度测试，测试后将实验数据存盘；
步骤六，测试数据存盘后，结束正式噪声测试步骤；在噪声测试与分析软件中调用器件输出噪声的频谱数据，对测试数据进行频谱分析。
3.根据权利要求1所述的一种低噪声LDO输出噪声测试的实现方法，其特征在于：电源为低噪声、低自放电及大容量镍氢电池组，提供稳定低噪声的电压输出，同时具备充电功能，以及对外仪器设备的开放接口；内部镍氢充电电池组由两个24V/2000mAh电池组和一个21.6V/2000mAh电池组组成，将其进行串联；正偏置电压+28V(饱和充电)，输出多级可变，实际输出电压受充电情况的影响在标称值的±15％范围内；负偏置电压-28V(饱和充电)，输出多级可变，实际输出电压受充电情况的影响在标称值的±15％范围内；电源噪声(含正、负电压)小于0.2uV(带宽在1～300Hz)；同时本偏置组件内部设计一路充电电路，同时实现对正、负电源的充电能力；本低噪声偏置器组件提供外部电流、电压表测试接口，可通过外部测试设备对本组件输出的正、负电压，正极输出端电流进行测试。
4.根据权利要求1所述的一种低噪声LDO输出噪声测试的实现方法，其特征在于：偏置部分采用简单直流偏置交流耦合噪声测量原理电路，在输出端使用10μF的耦合电容；偏置电路设置偏置开关、偏置充电开关、偏置电压旋钮、电压测试开关、电流测试开关、放大器开关、放大倍数选择旋钮、输入控制开关和放大充电开关；输入控制控制放大器的输入耦合方式，包括接地、直流和交流等三种方式。
5.根据权利要求1所述的一种低噪声LDO输出噪声测试的实现方法，其特征在于：LDO输出噪声测试适配器包括电压测试开关、电流测试开关、电源开关和电流调节旋钮；电源开关共有两个开关状态：“开”为器件测试电源开：对器件施加正测试电压，既将偏置器输出的正电压源接入测试电路；“电源关”为电源关闭状态：关闭测试电源；电压测试开关：该开关位采用三档钮子开关，共有三个开关状态：“in”：对LDO输入电压进行测试，即将器件的输入端电压输出到偏置器的电压测试电路；“电压表关”：断开电压测试电路；“out”：对LDO输出电压进行测试，即将器件输出端电压输出到偏置器的电压测试电路。
6.根据权利要求1所述的一种低噪声LDO输出噪声测试的实现方法，其特征在于：低噪前置放大器放大倍数100、500、1K、2K、5K、10K及50K可调；增益精度优于3％；畸变优于1‰；等效输入噪声电流谱密度优于(带宽1Hz～1kHz)；等效输入噪声电压谱密度小于小于 小于等效输入噪声电压小于0.2uV(带宽1Hz-300Hz)；输入耦合方式为交流/直流/接地；充电电流约400mA；充电时长约7小时；电限制电压：±13.5V。
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