6.3 关于测量电源环路增益的注意事项3 - 测试设置

接下来我们要讲的是测试设置的问题

我们主要会讲四个方面

第一个就是环路分析仪是怎么设置的

第二个是我们怎样选择合适的

注入的电压隔离器

第三个就是我们要怎么样准备待测的设备

最后就是我们要分析一下

怎么样能够让测算结果达到最大的精确度

首先我们要做环路测试的话

我们必须要有两个设备

第一个是频率分析仪

频率分析仪

它能够在我们电路中断开的那个点

然后通过接收 A B 两点的电压信号

在各个不同的频段

然后做一个频率分析

然后第二个就是电压源注入的隔离器

这个隔离器

它能够把我们想要注入的电源隔离出来

然后注入到我们电路中断开那两个点

它们之间作为输入的电压源

对于受测的电源设备来说

这个时候我们就需要

找到我们要在哪个点

注入这个电压源

然后把我们整个的设备

就连接到这个电路里面来

对于频率分析仪来说

它有两个基本的功能

第一个它能够提供 AC 的电压源

然后作为一个注入电压源信号

我们可以看到这个图里面

它其实是会提供一个

50 欧的输出阻抗的一个 AC 电源

然后这个 AC 电源

最终会通过隔离器

注入到我们这个电路当中的断开点

然后第二个功能

它能够测量到我们断开点的 A B

它们的上面的

对于这个注入电压源的响应电压

通过我们接收到这个 A B 两点的电压之后

然后会做一个频率分析

通过这两个电源的比值

然后来得到我们整个的系统环路

在整个频段之内的频率响应

对于一个环路分析仪来说

它实际上是通过检测 A B 两点的电压响应

然后来做分析和测量的

所以说我们环路分析仪对 A B 两点上

测量的电压

它实际上是有精度要求的

以我们最常用的 AP300 然后来做例子的话

它的有效的输入电压范围

它实际上是 5uV~1.77V

所以说我们在做实际测量的时候

必须要保证我们在 A B 两点上

它对于注入电压源的信号的响应电压

必须要在这个范围之内

我们左下角这个图实际上是做了一个例子

这个例子是我们以一个 BUCK 电路

来作为实际的待测电路

然后分别计算出我们 A B 两点

对于注入电压源信号的响应的图

红色的线它实际上是代表了我们 B 点

对于注入电压源信号的响应增益

蓝色它代表是 A 点对于注入电压源的响应

我们先看这条蓝色线

它代表是 A 点的那个电压

在低频段的时候

我们很显然看到 A 点

与注入电源之间的增益比值是负的值

也就是说这个时候注入电压源信号

也就是说这个时候注入电压源信号

经过我们整个环路之后

在 A 点会形成非常大的一个抑制比

有可能会达到 -60dB

也就是一千倍的衰减度

我们这时候要保证

在 A 点能够监测到 5uV 的信号

就必须要保证注入电压的信号

是 5uV 的一千倍以上

也就是要大于 5mV

对于 B 点的信号

B 点信号在我们低频段

基本上都是以保证等于注入电压源的信号

随着频率的增加

它的增益会逐渐往下降

最恶劣的情况下在 300kHz 的地方

300kHz 的地方

我们这个时候增益

可能就是已超过了 -20dB 以下

所以相应的

如果我们要在高频段也就是 300kHz 左右

来保证 A 点上的有效电压值

要大于 5uV 的话

我们这个时候注入电压源的幅度

在 300kHz 时候也必须要保证

要大于 50uV

前面我们提到

要保证我们这个电源测量精度的准确

必须要使注入电压大于某个限定的值

如果说我们这个时候注入电压值太大

会出现什么情况呢

那一般第一个

我们如果注入这个电源信号太大的话

有可能会导致占空比饱和

因为我们占空比

只能从 0 到 1 之间在波动

那如果说我们这个时候

注入的电压源信号过大

有可能就是使误差运放

然后出现饱和达到最大值

使我们那个占空比

可能是会达到最大值或者最小值

这样子的话我们整个电源系统

也就是无法再正常工作了

其它的一些额外情况

有可能这个时候占空比可能达到很大

有可能就是触发了

整个系统过压或者过流保护

因为我们这个时候

整个系统的工作点

可能已经远远的偏离了正常的工作的点

所以说这时候触发过压和过流保护

都是非常有可能的

前面我们提到了

我们要保证整个电路测试的精度

要使注入电压源的信号必须要大于某值

这时候如果我们要为了保证最小值

我们可能会把我们注入电压源不停的加大

如果我们注入电压源加太大了

会出现什么情况

它就有可能会使我们占空比会出现饱和

也有可能会使误差运放出现饱和

因为这个时候

有可能我们注入的电压信号误差信号太大

使整个误差增益输出达到最大值

然后相应的在 PWM 比较器这里

也只能输出一个最大值或者最小值

基本上对于出现了这种情况

也就是意味着我们整个电路系统

已经远远偏离了我们正常的设立工作点

很有可能这个时候也会触发一些电压电流的

一些保护包括一些过流保护

包括一些过压的保护

在一些 LDO 的里面

它也有可能这个过大交流的 AC 信号

它使我们 LDO 内部的调理电路

也出现了一些饱和

我们这里有一个实测的电路来作为例子

这是一颗 TPS7A8300

作为 LDO 的待测电路

然后我们这个时候

就通过注入一个不同的电压源的信号

来看看它对我们整个系统的环路响应

我们选择了在输出跟电阻分压网络之间断开

然后注入一个电压源来做测试的方法

这个时候如果注入电压源信号

是 2mV 恒定电压值

然后我们会得到

下面这两张图的增益和相位的曲线图

那如果这个时候

我们增大注入电压源的信号

由 2mV 增大到 10mV

我们可以看到明显的在低频这一段

低频这一段整个系统的增益

就出现了非常明显的上抬

至少会有二三十个 dB 的上升

相应的对于相位来说也有个几十度的上升

这个时候很明显这两种测试方法下

就有个非常大的差别

在中频段和高频段基本上差别都不大

所以根据我们前面的分析结果

很有可能这个就是因为我们

A 点这个的电压信号

对于我们注入电压源的响应

在低频段出现了误差

我们这个时候如果是采用了一种

可编程的注入电压源的方式

也就是我们在低频段注入了相对来说

比较大的电压源

来保证我们在低频段上的精度

我们可以看到右上角

这条绿色的线实际上就是我们

注入电压源的幅度的变化的曲线

我们可以在频率比较低的曲线段

可以增大注入电压源的幅值

来使低频段得到比较好的精度特性

大家可以看到下面这两张图里面

两条红色的线

分别是代表在这个可变的电压源的测试下

我们测到的相位和增益的曲线图

从这两个图里面看到

加大我们在低频段的注入电压源的信号

可以使低频增益的测量结果大大的上升

也就是更加趋近于我们真实的实际的结果

问题来了

我们是否可以为了达到比较好的环路测试结果

然后不停的增大注入电压源的幅值

我们这里在相同电路上也做了测试

这个时候我们如果说

假设注入的电压源信号

是恒定一百毫伏的 AC 电压源

这个时候我们在整个环路

测出来的增益跟相位的曲线

就很明显发现

它会在几 k 赫兹的地方出现鼓包的现象

如果我们把输入电压幅值稍微再降一些

比如说是作为恒定的 50 毫伏的

AC 电压源的注入电压

这个时候它的相位跟增益

又跟我们一百毫伏时候

又有比较明显的区别

但是它跟我们之前所做的

可变电压源的设置的结果

还是存在一定的偏差

也就是特别是在于几 k 赫兹之上

它的增益跟相位都有个明显的异常的情况

所以说我们为了达到比较准确的测量的结果

我们可以采用

一个可变电源幅度的注入电压源方式

我们在频率分析仪里面

其实都可以做相应的设置的

比如说我们这是一个频率分析仪的操作面板

我们可以选定设置

当我们 A B 两点接收到电压

低于某个值的时候

我们就开始逐渐增加注入电压源的信号

来确保我们 A B 两点接收到信号

是能够在比较有效的电压范围之内的

另外一个能够增加我们测试结果

精度的一个简单方法

我们可以增加我们整个环路分析仪

接收信号的积分时间

这些都可以在环路分析仪的操作界面里面找到

那比如说是可以限制到具体带宽到某一个值

或者是我们整个积分时间

可以选择快慢中三个档位

这个时候我们做了对比

这里是一个电路

我们用一百赫兹的积分频率

来得到红色一条线的结果的积分

然后得到结果是它的增益跟相位

都出现了一些不稳定的现象

如果说我们把积分的时间带宽呢

能够降到 10Hz 这个时候就是绿色线

很显然这个时候增益和相位

都有一个比较稳定平滑的结果

另外一方面

我们都会需要有个隔离器

来作为我们从频率分析仪

到我们电路里面注入电压源的隔离器件

这个时候我们在选择这个隔离器的时候

必须要注意到我们这个隔离器

它到底是支持哪个频段的

比如说我们 AP300 配的有些隔离器

它是只支持 0.1Hz 到 30MHz 的有效频段

也有的比如说 BODE BOX 的

它实际上是支持 1kHz

到 100kHz 之间的有效信号

另外一种 Active BODE BOX

它实际上是支持

由 DC 值到 1MHz 之内的有效频段

就是我们要根据

我们感兴趣的有效频段

来选择合适的隔离器

接下来我们要讲的是测试设置的问题

我们主要会讲四个方面

第一个就是环路分析仪是怎么设置的

第二个是我们怎样选择合适的

注入的电压隔离器

第三个就是我们要怎么样准备待测的设备

最后就是我们要分析一下

怎么样能够让测算结果达到最大的精确度

首先我们要做环路测试的话

我们必须要有两个设备

第一个是频率分析仪

频率分析仪

它能够在我们电路中断开的那个点

然后通过接收 A B 两点的电压信号

在各个不同的频段

然后做一个频率分析

然后第二个就是电压源注入的隔离器

这个隔离器

它能够把我们想要注入的电源隔离出来

然后注入到我们电路中断开那两个点

它们之间作为输入的电压源

对于受测的电源设备来说

这个时候我们就需要

找到我们要在哪个点

注入这个电压源

然后把我们整个的设备

就连接到这个电路里面来

对于频率分析仪来说

它有两个基本的功能

第一个它能够提供 AC 的电压源

然后作为一个注入电压源信号

我们可以看到这个图里面

它其实是会提供一个

50 欧的输出阻抗的一个 AC 电源

然后这个 AC 电源

最终会通过隔离器

注入到我们这个电路当中的断开点

然后第二个功能

它能够测量到我们断开点的 A B

它们的上面的

对于这个注入电压源的响应电压

通过我们接收到这个 A B 两点的电压之后

然后会做一个频率分析

通过这两个电源的比值

然后来得到我们整个的系统环路

在整个频段之内的频率响应

对于一个环路分析仪来说

它实际上是通过检测 A B 两点的电压响应

然后来做分析和测量的

所以说我们环路分析仪对 A B 两点上

测量的电压

它实际上是有精度要求的

以我们最常用的 AP300 然后来做例子的话

它的有效的输入电压范围

它实际上是 5uV~1.77V

所以说我们在做实际测量的时候

必须要保证我们在 A B 两点上

它对于注入电压源的信号的响应电压

必须要在这个范围之内

我们左下角这个图实际上是做了一个例子

这个例子是我们以一个 BUCK 电路

来作为实际的待测电路

然后分别计算出我们 A B 两点

对于注入电压源信号的响应的图

红色的线它实际上是代表了我们 B 点

对于注入电压源信号的响应增益

蓝色它代表是 A 点对于注入电压源的响应

我们先看这条蓝色线

它代表是 A 点的那个电压

在低频段的时候

我们很显然看到 A 点

与注入电源之间的增益比值是负的值

也就是说这个时候注入电压源信号

也就是说这个时候注入电压源信号

经过我们整个环路之后

在 A 点会形成非常大的一个抑制比

有可能会达到 -60dB

也就是一千倍的衰减度

我们这时候要保证

在 A 点能够监测到 5uV 的信号

就必须要保证注入电压的信号

是 5uV 的一千倍以上

也就是要大于 5mV

对于 B 点的信号

B 点信号在我们低频段

基本上都是以保证等于注入电压源的信号

随着频率的增加

它的增益会逐渐往下降

最恶劣的情况下在 300kHz 的地方

300kHz 的地方

我们这个时候增益

可能就是已超过了 -20dB 以下

所以相应的

如果我们要在高频段也就是 300kHz 左右

来保证 A 点上的有效电压值

要大于 5uV 的话

我们这个时候注入电压源的幅度

在 300kHz 时候也必须要保证

要大于 50uV

前面我们提到

要保证我们这个电源测量精度的准确

必须要使注入电压大于某个限定的值

如果说我们这个时候注入电压值太大

会出现什么情况呢

那一般第一个

我们如果注入这个电源信号太大的话

有可能会导致占空比饱和

因为我们占空比

只能从 0 到 1 之间在波动

那如果说我们这个时候

注入的电压源信号过大

有可能就是使误差运放

然后出现饱和达到最大值

使我们那个占空比

可能是会达到最大值或者最小值

这样子的话我们整个电源系统

也就是无法再正常工作了

其它的一些额外情况

有可能这个时候占空比可能达到很大

有可能就是触发了

整个系统过压或者过流保护

因为我们这个时候

整个系统的工作点

可能已经远远的偏离了正常的工作的点

所以说这时候触发过压和过流保护

都是非常有可能的

前面我们提到了

我们要保证整个电路测试的精度

要使注入电压源的信号必须要大于某值

这时候如果我们要为了保证最小值

我们可能会把我们注入电压源不停的加大

如果我们注入电压源加太大了

会出现什么情况

它就有可能会使我们占空比会出现饱和

也有可能会使误差运放出现饱和

因为这个时候

有可能我们注入的电压信号误差信号太大

使整个误差增益输出达到最大值

然后相应的在 PWM 比较器这里

也只能输出一个最大值或者最小值

基本上对于出现了这种情况

也就是意味着我们整个电路系统

已经远远偏离了我们正常的设立工作点

很有可能这个时候也会触发一些电压电流的

一些保护包括一些过流保护

包括一些过压的保护

在一些 LDO 的里面

它也有可能这个过大交流的 AC 信号

它使我们 LDO 内部的调理电路

也出现了一些饱和

我们这里有一个实测的电路来作为例子

这是一颗 TPS7A8300

作为 LDO 的待测电路

然后我们这个时候

就通过注入一个不同的电压源的信号

来看看它对我们整个系统的环路响应

我们选择了在输出跟电阻分压网络之间断开

然后注入一个电压源来做测试的方法

这个时候如果注入电压源信号

是 2mV 恒定电压值

然后我们会得到

下面这两张图的增益和相位的曲线图

那如果这个时候

我们增大注入电压源的信号

由 2mV 增大到 10mV

我们可以看到明显的在低频这一段

低频这一段整个系统的增益

就出现了非常明显的上抬

至少会有二三十个 dB 的上升

相应的对于相位来说也有个几十度的上升

这个时候很明显这两种测试方法下

就有个非常大的差别

在中频段和高频段基本上差别都不大

所以根据我们前面的分析结果

很有可能这个就是因为我们

A 点这个的电压信号

对于我们注入电压源的响应

在低频段出现了误差

我们这个时候如果是采用了一种

可编程的注入电压源的方式

也就是我们在低频段注入了相对来说

比较大的电压源

来保证我们在低频段上的精度

我们可以看到右上角

这条绿色的线实际上就是我们

注入电压源的幅度的变化的曲线

我们可以在频率比较低的曲线段

可以增大注入电压源的幅值

来使低频段得到比较好的精度特性

大家可以看到下面这两张图里面

两条红色的线

分别是代表在这个可变的电压源的测试下

我们测到的相位和增益的曲线图

从这两个图里面看到

加大我们在低频段的注入电压源的信号

可以使低频增益的测量结果大大的上升

也就是更加趋近于我们真实的实际的结果

问题来了

我们是否可以为了达到比较好的环路测试结果

然后不停的增大注入电压源的幅值

我们这里在相同电路上也做了测试

这个时候我们如果说

假设注入的电压源信号

是恒定一百毫伏的 AC 电压源

这个时候我们在整个环路

测出来的增益跟相位的曲线

就很明显发现

它会在几 k 赫兹的地方出现鼓包的现象

如果我们把输入电压幅值稍微再降一些

比如说是作为恒定的 50 毫伏的

AC 电压源的注入电压

这个时候它的相位跟增益

又跟我们一百毫伏时候

又有比较明显的区别

但是它跟我们之前所做的

可变电压源的设置的结果

还是存在一定的偏差

也就是特别是在于几 k 赫兹之上

它的增益跟相位都有个明显的异常的情况

所以说我们为了达到比较准确的测量的结果

我们可以采用

一个可变电源幅度的注入电压源方式

我们在频率分析仪里面

其实都可以做相应的设置的

比如说我们这是一个频率分析仪的操作面板

我们可以选定设置

当我们 A B 两点接收到电压

低于某个值的时候

我们就开始逐渐增加注入电压源的信号

来确保我们 A B 两点接收到信号

是能够在比较有效的电压范围之内的

另外一个能够增加我们测试结果

精度的一个简单方法

我们可以增加我们整个环路分析仪

接收信号的积分时间

这些都可以在环路分析仪的操作界面里面找到

那比如说是可以限制到具体带宽到某一个值

或者是我们整个积分时间

可以选择快慢中三个档位

这个时候我们做了对比

这里是一个电路

我们用一百赫兹的积分频率

来得到红色一条线的结果的积分

然后得到结果是它的增益跟相位

都出现了一些不稳定的现象

如果说我们把积分的时间带宽呢

能够降到 10Hz 这个时候就是绿色线

很显然这个时候增益和相位

都有一个比较稳定平滑的结果

另外一方面

我们都会需要有个隔离器

来作为我们从频率分析仪

到我们电路里面注入电压源的隔离器件

这个时候我们在选择这个隔离器的时候

必须要注意到我们这个隔离器

它到底是支持哪个频段的

比如说我们 AP300 配的有些隔离器

它是只支持 0.1Hz 到 30MHz 的有效频段

也有的比如说 BODE BOX 的

它实际上是支持 1kHz

到 100kHz 之间的有效信号

另外一种 Active BODE BOX

它实际上是支持

由 DC 值到 1MHz 之内的有效频段

就是我们要根据

我们感兴趣的有效频段

来选择合适的隔离器