Het testen van de Power Supply Rejection Ratio

PSSR is de afkorting voor ‘Power Supply Rejection Ratio', die wordt uitgedrukt in dB volgens de volgende formule:

PSSR (dB) = 20 log(V_in/V_uit)

Deze PSRR-waarde wordt meestal gegeven over een frequentiegebied dat is gespecificeerd door de fabrikant. De dB-waarde is de ratio van V_in/V_uit, met betrekking tot een stoorsignaal, aangeboden aan de ingang van de regelaar, in dit geval V_in en de resulterende amplitude van dit signaal aan de uitgang V_uit. De verhouding van deze spanningen beschrijft de mate waarin de regelaar een constante uitgangsgelijkspanning behoudt als de ingang een stoorsignaal bevat. Dit is een belangrijke specificatie van de DC-regelaar.

Hoe test je de PSRR

De PSRR wordt gemeten door een stoorsignaal aan de ingang van de te testen component aan te bieden en het signaal zowel aan de ingang als de uitgang te meten. De verhoudingen van deze twee metingen, met dezelfde frequentiecomponent van het origineel aangeboden stoorsignaal, geeft de mate weer waarin de regelaar het stoorsignaal kan onderdrukken. Hoe beter het regelen, hoe hoger de PSRR.

Voor de hier beschreven test wordt gebruik gemaakt van een ‘frequency response analyzer', de N4L PSM3750 van Newtons4th, voor frequenties van 10 µHz tot 50 MHz en met geïsoleerde ingangen en een geïsoleerde generator, beide voor spanningen tot 500 V_pk.

Een N4L PPA1530 power analyzer is gebruikt om het uitgangsvermogen van de regelaar te monitoren, om er zeker van te zijn dat de regelaar stabiel is en binnen zijn limieten van het uitgangsvermogen blijft. Als belasting is een 19 Ω weerstand geplaatst aan de uitgang van de regelaar.

Als je bekend bent met de technieken die door frequency response analyzers worden gebruikt, dan weet je dat je de mogelijkheid hebt om selectief een stoorsignaal (sinussignaal) te meten aan de ingang en aan de uitgang. Het moeilijkste deel van de meting is het aanbieden van het stoorsignaal aan de ingang. Hiervoor hebben we als voorbeeld twee opties uit de N4L-reeks:

• 1) Een LPA vermogensversterker en een PSM17xx/37xx frequency response analyzer;
• 2) Een PSM3750 (met een geïsoleerde generator), een injectietransformator en een gewone simpele gelijkspanningsvoeding.

Optie 1 biedt veel voordelen, maar heeft als beperking dat het gebruik van een hoogfrequente vermogensversterker meer kosten en complexiteit toevoegt aan de testopstelling. De PSM3750 frequentie response analyzer met geïsoleerde generator is een tweede optie voor de ontwikkelaar.

De geïsoleerde generator biedt veel voordelen in deze applicatie. We sluiten een 1 mH spoel met een lage serieweerstand, in serie met een standaard low-cost DC voeding, aan op de ingang van de regelaar. De serieweerstand van de gekozen spoel is 0,3 Ω, ook transformatoren met een lagere serieweerstand zijn beschikbaar. Dit geeft een lage spanningsdaling tussen de DC-bron en de DC-regelaar en een hogere impedantie voor het geïnjecteerde stoorsignaal bij hogere frequenties.

Het basisontwerp met de geteste spanningsregelaar is te zien in figuur 1.

Figuur 1. De als voorbeeld geteste spanningsregelaar.

Testopstelling

De gelijkspanningsvoeding is ingesteld op 8 V, de uitgangsspanning van de regelaar is initieel gezet op 2 V met een belasting van 19,49 Ω op de uitgang, die dan 201,14 mW opneemt. De power analyzer toont het scherm in figuur 2.

 Figuur 2. Schermbeeld van de power analyzer

De rimpelonderdrukking van de LM317 wordt in de datasheet gespecificeerd als 65 dB typical bij 120 Hz. Een schema van de testopstelling is te zien in figuur 4, waarbij de PSM3750 is aangesloten over de injectiespoel. De figuren 5, 6 en 7 tonen de meetopstelling met voeding, frequency response analyzer en power analyzer.

 Figuur 3. Rimpelonderdrukking van de LM317.

Figuur 4. Schema van de testopstelling.

 Figuur 5.

Figuur 6.

Figuur 7

Het gedrag van de schakeling

Belangrijk om te realiseren is dat de generator een 50 Ω uitgangsimpedantie heeft. Dit resulteert in een lagere injectiespanning over de transformator bij lagere frequenties, daar de impedantie (2πFL) van de transformator laag is. De geïnjecteerde spanning stijgt met de frequentie doordat de 1 mH spoel een hogere impedantie heeft bij hogere frequenties. Omdat de generator geïsoleerd is, is een injectietransformator niet nodig en omdat de ingangen van de PSM3750 erg selectief zijn leidt dit tot betrouwbare resultaten bij lage frequenties.

Metingen en dataverwerking

De generator wordt de eerste keer aangezet met een stoorsignaal van 10 kHz en een amplitude van 1 V. Het scherm van de PSM3750 geeft dan in real time het beeld dat is te zien in figuur 8.

Figuur 8. Testresultaat in real time.

Initieel zien we goede resultaten van -81,59 dB (dB = CH2/CH1) demping van het geïnjecteerde signaal. We meten een ingangsamplitude van 569,04 mV (V_in, CH1) en aan de uitgang slechts 47,361 µV (V_uit, CH2).

Op de schermafbeelding in figuur 9 is te zien dat, hoewel het AC injectiesignaal is gesuperponeerd op het  8 V DC voedingssignaal, CH1 automatisch schakelt naar het 1-V bereik en CH2 naar het 10-mV bereik doordat AC koppeling op de PSM3750 is ingeschakeld. Dit maakt het mogelijk dat de ingang gevoelig is voor kleine AC stoorsignalen bovenop een grote DC offset.

 Figuur 9. Autoranging naar 1-V bereik

De plots in figuur 10 illustreren dat de PSRR significant wordt beïnvloed door het spanningsverschil tussen ingang en uitgang, met betere resultaten bij grotere spanningsverschillen.

Figuur 10. De PSSR wordt beïnvloed door de spanningsverschillen tussen in- en uitgang.

De frequency response analyzer blijkt een zeer geschikt instrument voor het meten van de PSRR. Gebruikmakend van de zwevende generator gekoppeld met een injectietransformator geeft hij een uitstekende karakterisering van de regelaar.

Door de grote selectiviteit van PSM3750-ingangen, kunnen signalen in het lagere µV-gebied gemakkelijk worden gemeten terwijl deze tegelijkertijd zijn verbonden met hogere DC spanningslijnen.

André Handgraaf, TT&MS

TT&MS

(0252) 62 10 80

http://www.ttms.nl/