LT3042 10Hz〜1MHz Noise Spectrum Density

Analog Discoveryで10Hzから1MHzまでのnV/√Hz を測定しました。

下図のCout=22uFの1MHzまでのデータを収集しました。

使用した基板はLargeです。

2回に分けて測定しエクセルで処理しました。

測定結果はほぼ同じカーブが得られています。

+5Vin +/-13.5Vout DC/DC Covertorの実験

絶縁型DC/DC Convertorを使用して5V入力の出力+/-13.5V　200mAの電源を作ってみました。

DC/DCはMINMAXのMCW03-05S15という5V入力で出力電圧が15V200mAを2個使いました。
使用したLT3042基板は入出力が対向している丸形を使ってみました。

出力を13.5Vにした理由はが入力が15VなのでHead Roomを1.5Vにしたためです。

10Hzから1MHzまでの出力雑音電圧密度(V/√Hz)をAnalog Discoveryで測定しました。

10Hzから8.192KHzまでと8.193KHzから1MHzまで2回に分けて収集しエクセルで体裁を整えました。

つながり部分はいびつですがご海容を。

この測定方法はAnalog Devices社のアナログ電子回路コミュニティに

ある疑問を問いかけた所思わぬ方向に進展して

nV/√Hzの測定はディケード毎に測定してRBWの平方根でエクセル処理すると良いと教わりました。
推測ですが回答して頂いた方は「計測のためのアナログ回路設計」の著者だと......

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300KHz前後に猛烈なスイッチングノイズが観測されます。

このノイズは広帯域で10MHz以上まで発生しています。

LT3024のPSRRを最大限に生かすためにはユニバーサル基板の配線は気を使いました。

入出力配線にループがあるとスイッチング過渡時のスパイクをいとも容易に拾います。

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出力を100KHzのBPFを通した時の出力雑音電圧密度は約3nV/√Hzでした。

このノイズ特性は何か嫌ですねぇ。
既製のDC/DCは大なり小なりこのようなスペクトラムになりそうです。

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負荷電流は100mAで測定。

以前に作ったLT3439の[+5V to +/-12V Low Noise Isolated Switching Regulator]の出力にLT3042を実装したらどうなるか興味が湧いてきました。

これを製作した7年前はノイズ観測もスコープでしかできていませんでした。

試作した基板がでてきた時はスペクトラムを観測してみます。

下の写真は「LT3439超ローノイズDC-DCコンバータモジュール(+12V/-12V)」という製品名で
Strawberry Linuxさんから販売されているものです。
写真はHPから借用しました。

価格は3.000円で大変に良心的です。

僕がこの回路を試作したときにトランスの価格はたしか1.300円ほどでした。

Strawberry Linuxさんはこのトランスを特注されているそうです。

美しい基板レイアウトは性能に反映しますね。

数百台でも即納ということはコスパを考慮しての1000台/Lotの生産をしていると推測しています。
手作り工房のMade in Tokyoだと倍の価格になってしまう、嗚呼。

LT3042 Large PCB PSRRの確認

LT3042 Large PCB の入力にスイッチング電源を接続してPSRRの確認をしました。

Head Room(入出力間電圧差)をかえて挙動を見ました。

Head Roomが規定値以下だと実質的に入力と同じ波形です。

LT3042のDrop Out電圧は350mVなのでHead Room 400mVは良い特性です。

さらにHead Roomをあげて入力電圧を5Vにすると更に良い特性になりました。

出力負荷電流は100mAで測定しました。

50Hzと150Hz及び300Hzのひげは測定系への飛び込みが原因と思われます。

LT3042 Noise Spectral Density nV/√Hzの測定

Analog DiscoveryのSpectrum Analyzer機能を利用して
Noise Spectral Density nV/√Hzの測定をしました。

前回の記事は測定方法に誤りがありましたのでの削除し正しいデータを掲載します。

Spectrum Analyzerのスパン設定を10Hzから8.192KHzにするとResolutionが1Hzになる事に気づきました。

Resolutionが1Hzだと縦軸はnV/√Hzになり直読できます。

測定は下図の設定で行いました。とてもナイスな設定です！

上記方法で収集したデータをエクセルで縦軸をログ表示にして
イラストレータでまとめあげました。
製作した4種類の基板はノイズ特性に関しても問題は無いと考えます。

こちらのデータは10KHzから1MHzまでのスペクトラムになります。

データはエクセルでひと加工必要で式は図の下に記載してあります。

収集したデータをResolution(Hz)の平方根で割って1Hz換算にします。

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各データの破線はオリジナル・データのCOUT=22uFのラインです。

4種類の基板はCOUTが異なります。

測定データは出力キャパシタでの挙動が良く判ります。

LT3042 PSRR Cset(PMLCAP vs MLCC)

LT3042のCSETのPMLCAPをMLCCに変更してPSRRを観測しました。

MLCC 4.7uFの負荷電流200mAは

ピークが右にずれて10Hzから30Hzまでは若干落ち込んでいますが
30Hz以降はPMLCAPと比べて改善されています。

MLCC 22uFの負荷電流200mAは

PMLCAPのピークを削ぎ落としたような特性でした。

MLCC 10uFの負荷電流200mAは

PMLCAP時のピークは押さえられています。
PSRRでこのようなピークが発生するのはLT3042のアーキテクチャによるものなんでしょうか。

測定帯域500KHzは測定用60dbアンプが1MHz−3dbでしたのでフラットな領域の500KHzとしました。

LT3042の基板は優れたPSRR特性を維持してくれました。

LT3042のPSRR測定はこれで終了です。

次回はいよいよnV/√HzをAnalog Discoveryで測定したいと考えています。

LT3042 PSRR測定編(2/2)

LT3042・PNP Booster PCBの300mA以上のPSRR測定をしました。

50mAのPSRRは単体の特性を凌いでいます。

100mA以上の特性は単体より劣るものの素直なPSRRだと思います。

CsのPMLCAPとMLCCの違いが気になっているので

これから4.7uF MLCCを購入のために秋月さんまで走ります！？

LT3042 PSRR 測定編(1/2)

LT3042 PSRRを測定しました。

具体的には下図のようにセットアップしました。

信号ラインは最短で配線しました。
LDOの入力電圧を供給するBipolar Operational Power Supplyの+/-電源からの誘導を避けるために電源は1m程離してあります。

またスチール製の机からは6cmほど浮かしています。

LT3042基板の入力キャパシタは全て取り外しています。

理由は今回のようにオペアンプ・ブースタ方式ですと高い周波数で容量を駆動する制限が生じるためです。
入力には安定性確保の目的で1000pF MLCCのみ実装しました。

試験条件：
LT3042の入力電圧は収録データに記載、出力電圧は全て3.32Vです。

Analog DiscoveryのAWG出力はLDO入力端で1Vp-pに設定しました。
負荷電流条件は収録データに記載しました。

LT3042のオリジナルデータをトレースして収録データに重ね評価が容易になるようにしてみました。
出力キャパシタの条件、測定条件等が異なりますので一概に比較は出来ませんが参考にはなると思います。

オリジナルでは100Hzにピークがありますが製作した基板はもっと低い周波数です。
傾向としては近似したカーブが得られていると思います。
収集データはエクセルで縦軸を反転させて体裁を合わせています。

次回はCsのPMLCAP 4.7uFをMLCCに交換したデータと

PNP Boosterバージョンの3,4,500mAのPSRRを測定した結果を紹介します。

LT3042 PSRR 測定準備編

PSRR(Power Supply Ripple Rejection):電源電圧変動除去比

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PSRRの定義は入力電圧のリップル電圧をどのくらい抑制できるかという値で

PSRR(db)=20log(ΔVin/ΔVout)となります。
Analog DiscoveryのNetwork Analyzerは20log(ch.1/ch.2) の結果をプロットしてくれます。

Analog DiscoveryのAWG電圧は50Ωで終端した時の値を表示しています。
終端していない時の出力電圧は倍の電圧になりますので注意が必要です。
PSRR測定では入力直流電圧にリップル成分として正弦波を重畳させます。
Analog DiscoveryのAWGはオフセット電圧も設定できますがサイン波のみ出力させています。

LT3024の入力電圧はBipolar Operational Power SupplyのDC Offsetで5V設定します。
PSRR Test JIGにはPower MOS FETを使用した電子負荷(max.1A)が内蔵されています。
負荷電流を変えるときにいちいち抵抗を交換する手間が省けます。
LT3042の出力はDC Block Filterで直流成分をカットして
AD797を使用した60db Low Noise Amp でAnalog Discoveryのch.2に入力します。
AWGからのリップル正弦波は1Vp-pに設定すると入力電圧は4.5Vから5.5Vの間を変化します。

LT3042の出力電圧は3.3Vに設定するので

最悪のヘッドルームは4.5V−3.3V=1.2Vですので問題ないと考えています。

実際に測定する前に

Analog Discovery単体での性能を見てみる事にします。

セット・アップは下図のようにしました。
アッテネータ・ボックスで信号を減衰させてどのくらいまでの表示能力(S/N)があるかの実験です。

結果はこのようになりました。

-80db(100uV)の検出には無理があるように推測されます。

60dbアンプを介してアッテネータを100dbに設定した時のボーデ・プロットです。
-100dbの信号を60db増幅して奇麗に−40dbラインをプロットしてくれました。

これでLT3042のPSRR-120dbは測定できると思います。

上記データを収集時のセットアップ風景です。
-100db信号(10uV)を60db増幅した波形(中心で10mVp-p)は結構なノイズがあります。

黄色の輝線が1Vp-pのAWG出力波形です。

緑色は60dbアンプ出力波形です。
DC Block Filterでの影響を調べるために接続して外乱を誘発していない事を確認しました。

微少電圧測定時の誘導を防ぐにはケーブルを短くする事が大事だという事を経験しています。

次回はLT3042のPSRR測定をして結果を紹介したいと思います。

LT3042 OUTPUT Impedance（2/2）

LT3042の出力インピーダンスを測定しました。

出力インピーダンスは測定する箇所で変化しますので今回のデータは測定箇所を図示しました。

測定はAnalog DiscoveryのNetwork Analyzer機能を使用しました。

Analog Discovery単体では測定電圧等に無理が生じますのでインターフェースが必要になります。
自作したOUTPUT Impedance Analyzerの回路図と測定方法を下図に示します。

電圧と電流を検出しNetwork Analyzerでインピーダンス表示させています。

原理自体は電圧／電流=抵抗とシンプルですが
回路図と内部写真からわかるように配線に気を使っています。
PNP Boost PCB以外は入力電圧5Vで出力電圧3.3Vという条件で測定しました。

下図では省略されていますがLDOの出力には電子負荷を接続してあります。

測定のセットアップ風景です。

Analog DiscoveryのNetwork Analyzerで収集したデータはクリップボード経由でエクセルへコピーしデータが揃った所でグラフにしました。

4種類の中で一番小粒なLT3042 PCBでTO-220パッケージの78xxシリーズの置き換えを想定した大きさです。
但し部品面からみた入出力端子は逆になっています。

LT3042の機能を全て盛り込んだPCBです。

LT3042 Large PCBの測定ポイントを出力キャップで測定したデータです。

3KHzまでインピーダンスが低下しています。
この差はPCBのパターンによるインピーダンスの影響が無くなったからです。

この基板を水平取付けが可能な場合は入出力キャップからダイレクトにピンを
接続して最短で負荷へ接続する事もできます。

PNP Boost 500mA PCB

予想していた以上に良い結果でした。出力MLLCCの配置が効いているのか。

出力電圧は5Vで入力電圧は6.7Vと他のレギュレータと同一ヘッドルームで測定しました。

Round PCBは寸法の制約からキャップの配置が他と異なりました。
しかしながら2mΩ台は良い部類に入ると思います。

製作した基板の出力インピーダンスは満足のいく結果が得られたと思います。

次回はLT3042の売りのスペックPSRR(Power Supply Ripple Rejection)の測定です。

LT3042 OUTPUT Impedance（1/2）

予告では入出力ピンの使い方という事でした。
使い方という表現はちょっと違うかもしれませんが

複数ピンの理由は以下の測定で理解して頂けると思います。
未実装基板の出力ピンとグランドピンを基板上でショートします。

ソケットにさしてピン数の違いでのインピーダンス測定します。

測定風景

測定結果です。

一番下のグラフはDIY Impedance Analyzerのノイズフロアです。

暴れていますが100uΩ Lineです。
Analog Discoveryでここまで表示できる事は自分的には素晴らしいと思っています。

1mΩのグラフは4端子シャント抵抗器です。
測定が間違いない事を確認するために毎度行っています。

3端子モードはSmall,Largeともにほぼ同じで約8mΩ位あります。

この値は直流接触抵抗値と近似していると思います。

Small 5pinもLarge 7pinも出力ピンは2本ですが
Large 7pinはグランド・ピンが3本あります。

コネクタ接続で合計5本のLarge 7pinは約4mΩになりました。

レギュレータ基板をコネクタ接続したのは

ピン数を並列接続するとインピーダンスを低減できるという確認のためでした。

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LDOの出力インピーダンスはあまりデータシートには掲載されていませんが
興味を持たれている方はおられると思います。

次回は4種類のLT3042基板の出力インピーダンスを測定結果を報告したいと考えています。