[分析测量] 对两款稳压电源噪声的非专业测量

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发表于 2020-8-5 14:39 | 显示全部楼层
本帖最后由 cloudfly55 于 2020-8-5 15:53 编辑

前段时间折腾一个前级放大电路完毕,在测试上得到较好的自己满意的结果。由于调试前级放大电路时一直使用的是一款无负反馈稳压电源(类似于拜事通4B的前级稳压电路),于是就想换一个比较经典的稳压电源给其供电,想测试一下前级的底噪是不是还可以降低一点。想到Sigma22稳压电源的纹波在发烧友口中是出名的低,于是自己画PCB装了一块贴片版的Sigma22。完成之后,我采用示波器和MI软件对两款电源在空载、0.05A,0.1A和1A的负载电流下进行了噪声和纹波测量,最后也用两款稳压电源接上同一个前级,测量了放大器的输出底噪。
所有测试均在一个定制的屏蔽盒中完成,尽可能减少空间的电磁污染,由于业余条件、能力和时间的限制,无法对这两款电源的其他特性进行测量,而只是仅测量其底噪和纹波特性,供DIY发烧友参考,也从另一个角度看待不同的稳压电源的特性,同时,这些测量结果本人不会涉及到听音感受这些主观的东西,以避免浪费时间的无谓争执。
300M带宽的示波器是时域测量,其测量的波形看得出有大量的浅色杂讯,其实这是频率极高但能量很低的信号,主要还是观察较亮的光迹;MI测量是频域测量,频率限制在24kHz,也就是说24kHz以上的高频杂讯能量都不在测量范围内,这也是我们这种业余条件下的局限性。好在毕竟是玩玩音频,不尽完美的测量,总比完全的蒙住眼睛一头雾水要好吧。

1.Sigma22稳压电源

01A-Sigma电源SCH.png


01B-Sigma22实作.jpg

2.无负反馈电源

02A-无负反馈电源SCH.png


02B-无负反馈电源实作.jpg

3.Sigma电源在空载时的底噪

03A-Sigma22-空载.png


03B-Sigma22-空载-示波器波形.png

4.无负反馈电源在空载时的底噪

04A-无负反馈电源-空载-MI.png


04B-无负反馈电源-空载-示波器波形.png

5.Sigma电源在50mA时的底噪

05A-Sigma22-0.05A-MI.png


05B-Sigma22-0.05A-示波器波形.png

6.无负反馈电源在50mA时的底噪

06A-无负反馈电源-0.05A-MI.png


06B-无负反馈电源-0.05A-示波器波形.png

7.Sigma电源在100mA时的底噪

07A-Sigma22-0.1A-MI.png


07B-Sigma22-0.1A-示波器波形.png

8.无负反馈电源在100mA时的底噪

08A-无负反馈电源-0.1A-MI.png


08B-无负反馈电源-0.1A-示波器波形.png

9.Sigma电源在1A时的底噪和纹波

09A-Sigma22-1A-MI.png


09B-Sigma22-1A-示波器波形.png

10.无负反馈电源在1A时的底噪和纹波

10A-无负反馈电源-1A-MI.png


10B-无负反馈电源-1A-示波器波形.png

11A.Sigma电源接前级放大器后,放大器实测输出底噪

11A-Sigma22接前级放大器-MI.png

11B.无负反馈电源接前级放大器后,放大器实测输出底噪

11B-无负反馈电源接前级放大器-MI.png


根据以上的测量结果,总结一点并不成熟的思考和结论:

1.从底噪和纹波的角度来看,如果是给前级等小电流电路供电,无负反馈稳压电压的底噪比Sigma22电源更优,在频域曲线上,50mA时无负反馈电源的底噪比Sigma22要低28dB,100mA时无负反馈电源比Sigma22要低15dB。(提示一下,看底噪频域曲线首先要看整体,不要盯住无负反馈电源的那些峰,那是代表在某个频率有噪声能量,而Sigma22是几乎音频频域内的噪声能量在小电流下全面超越无负反馈电源。)
2.无负反馈电源本质上是一个稳压管偏置的射随器+电容倍增器,所以在50mA和100mA这样的小电流下底噪和纹波足够小,但频域测试上的一些频率的峰也说明其电源纹波抑制比不高,且负载电流越大,其底噪和纹波也会越大,最终在某一个电流值会超过像Sigma这类带负反馈伺服的电源,由于有这个天生的不足,所以我建议只使用在小电流供电中。
3.如果给大电流的负载供电,比如我测试的1A负载电流下,无疑是带有取样负反馈的Sigma电源明显胜出,这就体现出Sigma的电源纹波抑制比高的优点了。这次测试有点遗憾的是因为时间的关系,没测出一个两款电源底噪相同时候的电流值,这个电流值大致可以作为以后选择两款电源的一个参考临界点。
4.用同一款工作电流为30mA的差分前级做测试,由于这款电路共模抑制比特性好,因此尽管Sigma22在50mA下的底噪比无负反馈电源差28dB,但实际测试放大器输出底噪,两款电源差异不大了,目测差异只比无负反馈供电差5dB。由此可见,如果是用于有共模抑制比的电路,这两款稳压电路都可以胜任,主要选择倾向还应该是成本,制作方便与否,以及声音的主观取向;但用于单端前级放大,如果工作电流在50mA以下甚至更低,我还是推荐无负反馈电源为佳,因为毕竟底噪要低28dB以上了,且成本低于Sigma22,制作也便利一点。
5.坚持DIY过程中的有效测量,能让自己心里有底,有方向。Sigma的稳压电路,江湖上的讨论,最大的说法就是纹波低,最低可以达1uV。我没找到这种说法的原始出处,以及测试条件和方法,反正都是这样传,这次自己用非专业的测试方法终于了解到其在底噪和纹波上的粗略特性,很有收获。最后,不排除自己做的两款电源有不尽完美的地方,所以对上述测量和结果,不可尽信,仅供参考。


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发表于 2020-8-9 19:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 小米气态键盘 于 2020-8-9 19:40 编辑

我前几天也做了个sigma22,恒流管是LM334,场效应管IRFZ34,IRF9Z34N,还把10K的R11分成了9.1K加2K的可调电位器做正负对称调整(100ppm/℃的低温飘3296电位器),带50Ω和200Ω的水泥电阻做负载,总功耗大约12W。
电源噪声有效值大约1.5mVrms,示波器探头底噪500-600μVrms,实际上噪声大概可以勉强达到μVrms级别,示波器开的交流耦合,直流耦合不好找波线。
电压源我感觉很重要,所以说用的ADI的REF196,听说齐纳二极管有个很难忽略的齐纳噪声,另外换成ADR4533或者4550理论上性能会更好。
电流源也想过用LT3092,但是那样成本就太恐怖了。
Sigma22电路本身的构架还是不错的。但是因为走线和晶体管配对不如集成电路,基本不可能做到太高的精度,和78xx比比也就差不多了,这电路的关键在于输出内阻极低。
微信图片_20200809192957.jpg
微信图片_20200809192952.jpg
微信图片_20200809192947.jpg


补充内容 (2020-8-9 19:43):
示波器的横向分辨率开高纹波参数也是差不多的,就留了这一张就这样发上来了

补充内容 (2020-8-9 19:59):
设备一般仅供参考,只是对比下楼主的测试数据感觉Sigma22原板子的用料太差了,电路潜力还没完全发挥出来(虽然我这块板子做下来物料成本可能比sigma22原设计高一倍还多)

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 楼主| 发表于 2020-8-10 01:26 | 显示全部楼层
本帖最后由 cloudfly55 于 2020-8-10 05:22 编辑
小米气态键盘 发表于 2020-8-9 19:36
我前几天也做了个sigma22,恒流管是LM334,场效应管IRFZ34,IRF9Z34N,还把10K的R11分成了9.1K加2K的可调电 ...


我用来测试的MI软件,0dB对应1Vrms。我做的sigma22的噪声数值为:
1.空载时候的测试曲线,去掉100Hz的峰,其余频段在-112dB附近正负3dB左右波动(波动这点幅度基本相同,后面的描述不再复述),对应电压为2.5uV,100Hz为-92dB,对应电压为25uV;
2.0.05A时候的测试曲线,去掉100Hz的峰,其余频段也在-112dB以下,对应电压为2.5uV,100Hz为-87dB,对应电压为45uV;
3.0.1A时候的测试曲线,去掉100Hz的峰,其余频段在-110dB以下,对应电压为3.2uV,100Hz为-83dB,对应电压为71uV
4.1A时候的测试曲线,比较有特点,它从100Hz开始,逐渐往下较大幅度地衰减,100Hz的峰为-78dB,对应126uV,到1kHz的时候,滚降到-135dB,对应电压为0.178uV,也就是说1kHz以后远低于空载时候的噪声。此时噪声的能量密度以100Hz和它产生的一系列谐波为主,高频噪声反而大幅度降低。
5.测试的声卡为华硕老虎二代(Essence_STX_II),测试的电脑是专门做了噪声改良的,无论是RMAA6.45Pro还是MI(Multi Instrument Rro3.9)软件均为采购的正版,且两个软件测试的声卡底噪基线均在-140dB的层级。并且,采用普源DG1022信号发生器进行了0dB到-63dB的校准。当然,受业余条件的限制,DG1022最小只能输出707uVrms也就是-63dB的信号,低于这个幅度我也没办法校准,但总体来说,不会相差过分。
6.测试电脑,示波器由一台隔离电源供电,测试的稳压电源由另一台隔离电源供电,测试电路用屏蔽盒全部屏蔽,唯一不能解决的就是测试线没办法。我的测试环境是公司办公室的一个角落,之所以采用屏蔽盒,除了尽可能严谨外,我一直怀疑这个角落存在50Hz干扰,采用屏蔽盒之后,50Hz干扰消失。但示波器即算探头短路,由于整条测试线无法屏蔽,所以也存在一个干扰波形,这个复合干扰波形是以10ms(100Hz)一个周期的信号连续出现两次,第三次缩小到6-7ms左右,然后消失17ms左右再循环出现,曾在示波器探头插座直接用自制的短路BNC插头插上,干扰消失,由此判断大概率来自外部的电磁污染,实在是无奈。

示波器探头短路.png

这个示波器的干扰波形,有可能来自探头的感应噪声,也有可能来自示波器。不管来源自何处,在两款稳压电源接上示波器测量的时候,无论是空载还是带载的示波器图像,仔细观察,均被附加其上,且这个干扰波形有增大趋势。但在用MI测量的时候,由于不需要接入示波器探头,这个干扰就不会被引入,因此MI的测试结果和这个干扰无关。这是我在这里特别提醒的,意思就是不要只观察示波器波形(尽管大部分DIY们对示波器的时域波形很熟悉和习惯),就判断测试的两款电源噪声大,而对MI测试结果产生反而不去认真分析。

这里贴上MI软件测试的我这个Essence_STX_II测试声卡在输入外接1米输入信号线,且把输入线短路时候的测试底噪曲线,接近 接近于-140dB。(蛋疼的论坛图片压缩程序,才发现MI测试图片的纵坐标对应的dB数值完全不清晰)

MI 声卡接1米输入线短路底噪.png

以上就是我的Sigma22测试结果和测试环境的解说。受时间和精力限制,目前只测试了底噪,也由于测试的目的是为一款高性能前级寻找一款好的稳压电源,所以两款稳压电源在设计上不考虑大电流应用优化,比如用更大的滤波电容,用更大电流的整流管,用更大的散热器等,而在测试上,主要注重100mA以下性能的测试,这就是我的测试中缺少0.1A到1A之间的数据的原因。另外,因为时间有限,对于纹波抑制的测试也暂时没有进行,留待以后得空的时候再弄。
我的Sigma22按照标准电路制作,只是差分和电流镜均采用孪生管,整流管采用贴片5A快速二极管,所有电阻均为贴片,调整管为IRF540和9540,恒流管采用E-202和E562,电压源采用稳压管,至于电解电容,滤波采用江海为ELAN代工的6800uF80V,其余小电容均采用数字电桥测试过的性能合格的高频电容,用料不至于层主所说的太差,本人从事PCB设计有几十年历史,基本可以排斥PCB设计不当的问题,排除滤波电容、散热片和输出插座等大件,所有主电路元件紧缩在42X60mm的区域内,虽不算极小,但也是尽可能降低噪声的一种考量。
层主提到齐纳噪声,首先,齐纳噪声是PN结反向击穿时候产生的一种白噪声,白噪声的特点是全频段等能量,也就是说,不管什么频率,它的幅度是一样的,而从Sigma22测试的不同负载电流的频域曲线来看,高频段的底噪都有下降趋势。其次,从电压源而言,Sigma22和另一款无负反馈稳压电源均采用E-202加稳压管的形式,为什么在完全相同的测试环境下,同样的电压源形式,无负反馈电源的空载和小电流底噪低Sigma22十几个到近30dB呢?何况Sigma22属于带伺服有负反馈的电路,差分和电流镜的使用,应该是让其底噪更为优秀。这也是让我没有想清楚的问题。我之所以做Sigma22,就是原来预计它的底噪会比无负反馈电源更为优秀啊。
Sigma22的电源和电压源带来的齐纳噪声没什么太大关联,毕竟此回复最开始我算给层主看了,Sigma22在1A的时候100Hz的噪声也就是126uV,再把其余频段噪声计算进去也还是在5倍之内,这和层主你做的豪华级别Sigma22的毛估噪声电压是一个级别(1.5mV-0.6mV示波器底噪=0.9mV)。目前我不成熟的思考是,第一,Sigma22调整管采用场管,在小电流状态下,其DS导通电阻较大,加上栅极电阻高,相对于双极型晶体管特别容易感应噪声然后在高阻状态的DS上反应出来,但随着输出电流的增大,栅极电压相应增大,这时候栅极上的控制电压和噪声电压之比也就是栅极信噪比提高了,而DS之间的导通电阻是随着大电流而降低的,这两点因素导致在1A电流输出的时候,1kHz以后频段的噪声反而降低到-135dB,而无负反馈电源却要到4kHz以上在保持在-135dB,从频域的能量分布来看,Sigma22在输出大电流上的底噪指标是绝对胜过无负反馈电源的。第二,我的差分管采用孪生管,Hfe在200左右,而没有采用放大倍数大于200的BC546和BC556,但差分管的高Hfe主要和电源抑制比有关,和无规律的底噪关系多大,需要以后版本的换管验证。
层主的Sigma22制作十分精良,和层主交流也很有意义,如果层主有意,可以扫我图像加我微信交流,甚至如果信得过,可以把层主的Sigma22发给我进行测量,古人说,他山之石,可以攻玉,在彼此交流中,得到技术上的学习和进步,真是人生的一种快乐。

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发表于 2020-8-5 15:21 | 显示全部楼层
感谢分享实测数据,据此推测 胆前级这种小电流电路中,无反馈稳压电路性能也是更好些。

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 楼主| 发表于 2020-8-5 15:29 | 显示全部楼层
sjh327 发表于 2020-8-5 15:21
感谢分享实测数据,据此推测 胆前级这种小电流电路中,无反馈稳压电路性能也是更好些。

这个无负反馈稳压电源是一个老前辈,也是搞电子的退休老高工推荐给我的,我在功放前级和独立前级都使用过,个人感觉声音不错,但一直怀疑它的噪声和纹波也许不怎么样,直到这次测量,才发现在小电流下,真心不错。拜事通4B的前级稳压和它类似,还有一些日本音响电路中也有类似的电源。

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发表于 2020-8-5 15:57 | 显示全部楼层
支持实验数据,但是我觉得这些比较偏门的电路不实用,用在音频上效果也不是很好,要做还是做全世界电源工程师流行做的方案------>开关电源

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 楼主| 发表于 2020-8-5 17:31 | 显示全部楼层
lancelothy 发表于 2020-8-5 15:57
支持实验数据,但是我觉得这些比较偏门的电路不实用,用在音频上效果也不是很好,要做还是做全世界电源工程 ...

嗯嗯,支持你研发音响用开关电源

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扣除示波器底噪

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 楼主| 发表于 2020-8-5 18:00 | 显示全部楼层
xmlhifi 发表于 2020-8-5 17:53
扣除示波器底噪

就频域的测试数据来说,用MI测试的时候,是没有接示波器探头的,所以不存在你说的要扣除示波器底噪的问题

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电路的有些原件参数不全,就稳压管来说,动态电阻低的相应的噪声也低,通常7~8V的稳压管噪声最低。

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线性稳压纹波比我的DC-DC电源还大

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很好,论坛就需要这样的人

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请问楼主,MI是款什么样的软件?能否介绍一下。

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噪音太大了吧?是不是测试问题?

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噪声最大的7824输出350mA也才170uV

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ylc358 发表于 2020-8-8 11:42
请问楼主,MI是款什么样的软件?能否介绍一下。

Multi Instrument Rro3.9,太难记和打字,习惯上就叫MI,电脑图标也是MI

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 楼主| 发表于 2020-8-10 04:18 | 显示全部楼层
无语密码 发表于 2020-8-9 20:06
噪音太大了吧?是不是测试问题?


我不清楚传说中的Sigma22或者11纹波噪声是1uV是在什么条件下测量的,目前我实作的Sigma22测试了空载,0.05A,0.1A和1A的频域噪声,对应的数值在16楼有解说。

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cloudfly55 发表于 2020-8-10 01:26
我用来测试的MI软件,0dB对应1Vrms。我做的sigma22的噪声数值为:
1.空载时候的测试曲线,去掉100Hz的 ...

专业
现在这个版本少两根线,就是背面的肖特基二极管后面那两根元件腿,所以说也许会再改改电路
你要是觉得可以做着测测的话我可以送你一块空板子,REF196,LM334之类的关键元件实在没有多的,546556倒是有,电阻应该是足够的。目前做好的版本近期就要用上,所以说抱歉寄过去测试应该是不行的

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发表于 2020-8-10 06:47 来自手机端 | 显示全部楼层
能测一下射频ldo tps7a系列的噪音么?
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