[心得] 低噪音电压源试制与测试

楼主: hiro920463 (hiro)   2016-05-15 18:42:56
图文易读版
http://chihhanlin.weebly.com/2030222122388993865122739283042820435430.html
前阵子常用的双电源电供 (agilent E3631A, 原厂号称的涟波峰对峰值 20-20MHz是小于
2mV, 不过手头这台有点瑕疵, 搞不好根本不到这个规格) 挂掉了, 正好手边还有不少
317/337 的稳压模组, 买来尝鲜的 TPS7A4701/3301 的低噪 LDO 模组也收到, 就顺势弄
了一组简单的正负 12V 电供, 顺便把手边有的线性电源量测一番. 用耳朵来验收 TPS
LDO 模组的效果.




AC 进来先透过一组外挂 A2151A/C6011A 电晶体(电压调节还是靠 317/337)的大功率整流
稳压模组, 然后将直流输出给 LDO 模组整成 op-amp 耳扩线路需要的正负 12V. 原设计
是变压器输出 15VAC (过二极管整流完大概 20V) 过 LM317/337 整成 16-18V , 最后再
馈入 LDO, 不过手边只有拆来的 AC12V 就将就用了. 理论上 LDO 的压降其实可以很低 (
几百个 mV ), 不过测试上输入电压高一点后面比较有调整空间. LDO 负电压的
TPS7A3301 透过两根外接电阻比例就可以调出需要的电压, 4701 则是版子买来就做好指
拨开关方便切换 IC 内部的回授电阻对, 改成跟 TPS7A3301 一样的调整方式好像也不会
比较好就不改了. (IC 内部的参考电阻一定比较稳定啊)
系统整体照


耳扩的线路基本上就是 GMP450pro 专用 OP 扩 (文章代码 #1N2EgIAb)
(之后 layout 成 PCB 每个声道会用三组 op 当 buffer, 还会把 LME49710 改成
LME49990 来试试), 目前的版本简单拿铜板挖孔搭棚焊件, 配合 RCA 镀铑头和
Nuetrik 的 6.3 自锁座
铜板挖孔卡IC座再点胶黏住, 很多高速的OP线路都建议 OP 底部不要铺铜, 就这点这种固
定方式 Layout 逻辑是相似的


铜板搭棚在焊一端接地的电容或电阻非常方便


这是我很喜欢使用的一种辅助固定材料, 加热到 60-70度可塑型的树脂


可以拿来支撑电容或者固定线材, 干燥之后会变成乳白色, 又比热熔胶好去除


假组试一下空间够不够


背面搭棚照


普通的塑料外壳,钻孔比较快


最后喷上防氧化的透明漆, 等固定架硬化就完成. 严格说起来上盖应该还要钻孔留换 OP
的孔位. 这个扩大概也听 200-300 hr 以上, 配合 450pro 声底走向清亮通透, 动态表现
不俗.
接下来简单介绍一下我测试线性电源的方式: 基本上参考 JEITA RC-9132C 对于交换式电
源特性量测的规范, 电源输出用 60cm 长 24 AWG 的多芯线对绞, 末端加上 47uF 电解电
容与 0.1nF 陶瓷电容当成负载顺便多砍一些高频噪声




主要量测仪器使用 LaCroy 200MHz,2GS/s 配合 6MHz (1:1) 探棒在 AC 1Mohm 档位量测,
顺便开 20MHz 数位滤波多挡掉一些高频噪声. 严格说起来应该要用差动探棒配合做好
阻抗匹配的 BNC 线用 50 ohm 档位来量, 不过示波器用3转2接头这种肮脏手段勉强能量
到需要的资讯. 另外我也试过用六位半的装上型电表来量测, 不过大概只能反映出
0.1-10Hz 的噪声浮动, 大约都在 50uV-100uV 之间, 其实无法很好的判定出
LM317/337 与 TPS7A LDO 特性上的差异.以下大概测量了几种常用(工业 or 学术意味)
线性电压源
1. 美商国家仪器的可程控 smu 卡 pxi-4132 , 0-100V, 2W, 规格涟波峰值: <70
uV_pp (0.1-10Hz) 建议售价:16万
2. Agilent (现在变成 Keysight) E3646A, 0-20V, 1.5A , 规格涟波峰值: <5V_pp
(20-20MHz) 建议售价: 3.8万
3. 明纬交换式电源 DRA-240, 24V, 10A, 规格涟波峰值: <80mV_pp (类 JEITA 测试,
20MHz) 建议售价: 1千
4. 大电流 LM317模组 (文后称 LM317-A), 建议售价: 四百
5. diyResearch 的 LM317 迷你双电源 (文后称 LM317-B), 建议售价: 三百
6. smt 元件+ 固态电容小电流 LM317 模组(文后称 LM317-C), 建议售价: 一百
7. 大陆制 TPS7A4701/3301 LDO 模组, 使用贴片钽电容, 建议售价: 五百       
以下先列出测试数据与结论:


这里的 rms 在示波器 AC 1M ohm 量测下可以理解为 standard deviation (其实表格里
不能写 rms , 会造成混淆,不过图懒得改了) 简单讲固纬的交换式电源基本上规格标
示算是有良心(我也量过一些杂牌机, 能符合规格的真的不多), 但是以交换式电源作为
前级馈入任何线性稳压模组都很难有效地降低噪声峰对峰值。架构跟选料够好的 LM317模
组不逊于超低噪声的 TPS7A LDO (diyResearch 的板子令人惊艳), 输出端的滤波电容应
该是关键,之后大概会以固态电容或钽电容配合 WIMA MKP 来设计. 推测目前可以作到参
数最好的组合应该就是 环变 -> LM317 -> TPS7A LDO, 最近也进了一批 UCC 的 Golden
Reference Regulator , 估计这块板子的噪声也是超低等级.
工业用的可程控电压源认真讲我觉得不会比作到极致的电源好,其价值大多体现在高
电流输出, 高精度的 A/D (回授控电压) 跟 offset 补偿之类的 (保证面板设定的数值
误差量年变化或温度系数只有几 ppm 之类的), ripple 表现也就一般般。 当然也可以
拿这种电源作为第一级稳压整流,你会发现这类机台的 60Hz 抑制比都非常好,只是成本
相当高。另外值得一提的就是各家对于噪声涟波的定义不太一样,有的给的是 0.1-10Hz
, 这个比较接近一般op 放大器给的 spec, 通常都是接一组带通滤波器再喂给量测仪器.
不过我觉得比较有参考价值的反而是 20-20MHz 这种的,这一项比较容易看得出差异。
很常见的程控电源 Agilent E3646A


高频噪声明显就比较多   


很出色的diyResearch LM317/337 模组


60Hz 不够干净不过已经很棒了


目前的暂时固定下来的最佳配置


再改用更好的变压器跟 60Hz 的处理应该还能改善


keces 的 pcm2706 DAC, 用的三端子稳压是 1086, 量测的结果很糟糕


不论 stdev 还是峰对峰值都比较高,不过至少有 Agilent E3646A 的水准


最后在听感上,我认为 TPS7A4701/3301 在我的系统上还是优于一般的 LM317/337 ,整
个舞台感与空间感有变大的,动态对比较大的交响表现不错(背景黑,大音压的地方还不
会爆掉,整体活生感不错)反应前端的能力好像有更好一些(A/B test 还不够多所以可
能只是错觉,也没有十万级的 dac 老实讲只能挑掉不好的)。整个系统最神奇的地方应该
搭配低频量感相对少的 450pro 来播放一些有压缩过的 live 录音的时候会有很立体的效
果,比如说あおむし(二木苍生) 2014/03/09 新桥りぼん歌剧団 (
https://youtu.be/ff8rjdc-5D4) 这个录音就可以很明显感受到舞台空间的感觉,一样
的前端捅过 X2,HD600, K7XX 堂音跟残飨听起来都不太对劲, 让它变成我唯一可以用来随
便听 youtube 的系统 (感觉走偏了但是很好用). 另外一段我很喜欢的 live 录音是
Aya Matsuura ( 松浦亜弥 ) - Melodies ( メロディーズ ) Live (
https://youtu.be/Xq6zHkRMjeo),或者像 ベン・トー OP“LIVE for LIFE~狼たちの
夜~”(https://youtu.be/Fz5jSYZfuHk) 这类加了大量电子合成的音源(布袋戏很多
都这种,霹雳的原声带我大概从 99年收集到 08年左右)很多用好一些的系统放起来都很
空洞或者说不耐听
电路性能方面我认为线性电源的关键除了噪声峰值以外,也许动态响应的部份才是关键,
以规格上提到的就是 load transient 这项参数,观察稳压模组在输出电流由零切换成负
载值(通常是 1A 或者 1.5A)输出电压的变化状态, 这项参数感觉是 CMOS LDO 与传统
三端子稳压 IC 有比较大差异的地方
这是 TPS7A4701 的 load transient, C_out=10 uF


这是 LT317 的 load transient


当然你可能会怀疑一个量测设定在输出 15V, 一个设定在 3.3V 可能不太公平,不过我觉
得两者的 load trasiient 根本不同一个档次,TPS7A4701 在这方面应该要远胜过一般的
317 才对。这部份的测试就等我弄好 UCC 稳压套件和测试治具再跟大家分享吧
作者: evadodoya (口责口责)   2016-05-15 18:46:00
未看先推(因为看不懂
作者: krrvincent (krr)   2016-05-15 18:50:00
楼下滑滑
作者: m9172250 (bahpomet)   2016-05-15 18:53:00
快推 不然等等被以为不懂
作者: IPSN (*TECHNO*GT155)   2016-05-15 18:55:00
推了 看到一半先end....
作者: wiwikiki (夏音胧月)   2016-05-15 18:55:00
推了..
作者: greg7575 (顾家)   2016-05-15 19:29:00
拿铝固态的试试。稳压效果很棒
作者: TimoBoll (波尔)   2016-05-15 19:51:00
还有KG版的GR noise更低喔XD
楼主: hiro920463 (hiro)   2016-05-15 20:13:00
我常用的一片小电流模组(op 测试正负电源 )就是用铝固态,真的不错
作者: jakkx (风蓝)   2016-05-15 20:19:00
看不懂的路过
作者: execration (exe)   2016-05-15 20:33:00
嗯,跟我想得一样.......(逃
楼主: hiro920463 (hiro)   2016-05-15 21:00:00
kg 版的 pcb 弄了一块,假如试起来效果好就打算自己抄版洗了,不过最近太忙只能一项一项慢慢玩
作者: ang728 (要耍厨你还嫩的很)   2016-05-15 21:52:00
KG版UCC PCB台湾可能八成应该是我开团的(?)最近又想洗了阿
作者: greg7575 (顾家)   2016-05-15 22:07:00
主要看ripple current。越大越好可惜铝固态的料不好拿。还有些小问题在
楼主: hiro920463 (hiro)   2016-05-15 22:12:00
kg UCC如果要加洗算我一个
作者: ang728 (要耍厨你还嫩的很)   2016-05-15 22:20:00
sure~
作者: yeahbo (MSA-0011[Bst]PLAN303E)   2016-05-15 22:38:00
这篇好多可以学的撇步~ 推~
作者: s1s1 (胖鸟)   2016-05-15 23:13:00
我需要翻译,看不懂Orz
作者: greenturtlet (交大宅亀)   2016-05-16 01:33:00
嗯嗯嗯..跪求翻译
作者: Dopin (ats.twbbs.org)   2016-05-16 02:18:00
DIYr 的板子我后来点灯都买他的稳压套件 省力太多 /.\;;;
作者: brianchen119 (chw)   2016-05-16 12:23:00
DIYr的板子体积小又好用,线路图也都公开的。我的tps7a4701就是直接拿DIYr的板子来改,效果不错
作者: canblow (可吹)   2016-05-16 14:59:00
好猛
作者: kevinmonkey (kevin&monkey)   2016-05-16 22:14:00
不知道能不能接电池,量出来会再改善吗?基本上是不是就没有噪声
楼主: hiro920463 (hiro)   2016-05-16 22:24:00
铅电池涟波不好 (大概内阻不太稳定吧)18650 锂电单颗超棒(0.1 -10Hz 小于 10 uV,),但是串连后噪声就多了 (接面大概要用点焊比较好 ),不过我觉得配线稳压板应该是很棒的选择 (有打算弄 )
作者: kevinmonkey (kevin&monkey)   2016-05-16 23:03:00
哇~你有研究哩~感谢分享,有量测加听感的最赞电池我只知道充电麻烦,想像中就跟外界噪声分离,想在DAC重要的部分改电池稳压~

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