4月の24、2023を更新
このアプリケーション ノートでは、リニア電圧レギュレータのゲインと位相の測定の詳細を説明します。注入トランスを使用して小信号をフィードバック ループに注入し、2 つの異なる負荷コンデンサの位相余裕を観察します。この手順は、Moku:Go、Moku:Lab、および Moku:Pro と互換性があります。
周波数応答アナライザ
Moku:Lab 周波数応答アナライザー (FRA) は、Moku 出力で掃引正弦波を駆動し、同時に Moku 入力で受信信号の振幅 (または電力) と位相を測定します。これを使用して、テスト対象のシステムまたはデバイスの伝達関数を測定し、一般にボード線図と呼ばれる振幅と位相対周波数のプロットを作成できます。このアプリケーションでは、線形電圧レギュレータのフィードバック ループに掃引正弦波を注入し、制御ループの位相余裕を評価します。
リニア電圧レギュレータ設計には、電圧レギュレーションを維持するためのフィードバック ループが組み込まれています。制御ループの応答を測定するには、外乱信号を注入する必要があります。これは通常、制御ループに小さな値の抵抗を挿入することによって実現されます。これは注入抵抗 (R) と呼ばれます。INJ)、そこにテストまたは妨害信号を注入できます。
Moku:Lab は、ほとんどのテスト機器と同様に、入力と出力が接地されています。 RINJ にはグランド接続がないため、Moku 出力を絶縁する方法が必要です。これは変圧器を使用して行われ、私たちのアプリケーションでは、Picotest の注入変圧器 (モデル J2101A) を使用します。
テストデバイスとセットアップ
テストするために選択したデバイスは Picotest VRTS 1.5 ボードです。図 1 は回路図です。このボードはシャントレギュレータ (U1) を実装し、BJT (Q1) を制御します。入力電圧範囲は 7 ～ 10V で、出力は抵抗ペア R3 と R4 によって 3.3V にプリセットされます。この VRTS ボードは、プロービングに適したブレークアウト ポイントを提供します。また、注入抵抗 R2 は 4.99 オームの値でフィードバック ループ内にあります。テスト ポイント TP3 および TP4 は、インジェクター トランスと測定プローブの両方に接続を提供します。 S1 には、出力コンデンサ C2 または C3 (両方とも 100uF) を選択するオプションがあります。 C2はアルミニウム電解コンデンサ、C3はタンタルコンデンサです。さらに、6mA の負荷を提供するために R25 を選択することもできます。 LED は、VRTS に電力が供給されて動作していることを示します。
図1： VRTS1.5の回路図
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図1： VRTS1.5の回路図 |
図1： VRTS1.5の回路図 1: 入力電源 +8v |
図 2 は、Moku:Lab、Picotest トランス、および VRTS1.5 評価ボードを使用したテスト セットアップを示し、図 3 は接続の拡大図を示します。 Moku:Lab 入力 #2 プローブは TP3 に接続され、Moku 入力 #1 プローブは TP4 に接続されます。
Moku 出力 #1 は、注入トランスを介して掃引正弦波を駆動し、次に R を通過します。INJ。 Moku:Lab の出力 #2 は使用されません。
私たちはレギュレーターの伝達関数に興味があるので、 Moku:Lab 入力 #2 と入力 #1 を使用して、注入抵抗の両側の信号を測定します。
Moku:Lab には iPad ベースの柔軟なユーザー インターフェイスが組み込まれており、ボード関数または伝達関数をプロットするために入力 2 / 入力 1 を提供するように数学チャネルを設定しました。
初期プロット結果
Moku:Lab 周波数応答アナライザーは、-100dBm の信号強度で 10 Hz から 15 MHz をスイープするように構成されました。セットアップと結果を図 4 に示しますが、これは明らかに理想とは程遠いものです。プロット全体にわたって顕著なノイズがあり、特に 1kHz 未満に顕著です。
図4： 初期プロット
- 演算チャンネル（オレンジ） 制御ループの伝達関数を示します。
- 入力1(赤) & 入力2(青) 完全を期すために示されています。
- Moku:Lab インターフェースを使用すると、測定用のカーソルをすばやく簡単に配置できます。
- このプロットはノイズが大きいためあまり役に立ちません。
改良されたプロット
平均化を調整し (最小 200 ミリ秒または 100 サイクル)、整定時間をわずかに長くする (最小 20 ミリ秒または 20 サイクル) ことで、プロット内のノイズの影響を大幅に軽減できます。
図5： ノイズを低減、わずかにオーバードライブ
平均化時間と整定時間が設定されています。これにより、ノイズが大幅に低減されます。 0dB クロスオーバー ポイントでのわずかな非直線性は注目に値します。これは、駆動される掃引正弦波が大きすぎることが原因である可能性があります。 100 ～ 300 kHz の範囲で位相プロットに明らかなノイズがあります。次のプロットでは、過剰ではなく十分な量を慎重に選択することで、これを改善します。
図6： 最終的なボード線図、タンタル コンデンサ
以前に設定した平均化時間と整定時間に加えて、30V を使用する AC カップリングを使用して、駆動される掃引正弦波を -1dBm に削減しました。pp 入力範囲。 0dB クロスオーバーは 6.39kHz で線形で、位相マージンは 36.9 度です。
次に、負荷コンデンサを変更したときのレギュレータの応答の違いを調べたいと思います。前のプロットでは、S100-1 を介してタンタル 2uF 負荷コンデンサを有効にしました。ここで、S100-1 を介して電解 1uF コンデンサを有効にします。図 7 は、結果のプロットを示しています。
図7： 電解負荷コンデンサを使用したボード線図
0dB クロスオーバーは 8.461kHz で線形であり、位相余裕は 75.295 度まで大幅に増加しました。
まとめ
このアプリケーション ノートでは、リニア電圧レギュレータの周波数応答を調べるために、注入トランスを備えた Moku:Lab 周波数応答アナライザの使用を実証しました。掃引正弦波出力電力を調整すると、適切なサンプル平均化が行われ、レギュレータの伝達関数、ボード線図、明確なプロットが得られます。
さらに、2 つの異なる出力負荷コンデンサの位相余裕の違いを示しました。
Moku:Lab インターフェースにより、機器のセットアップが迅速かつ簡単になりました。一方、ボード線図を (iCloud スクリーン キャプチャ経由で) 簡単に共有することで、このドキュメントで使用されるグラフィックを効果的に準備できるようになりました。
