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赛博斗蛐蛐-1-国产高性能LDO-GM1200性能测试
本文开源工程地址: https://github.com/Floyd-Fish/Isolated-Power-Supply-and-LDO-Verification
如果经常跟模拟/射频电路打交道，那么高性能LDO是必不可少的一环。作为电源器件，LDO的性能往往限制了系统的整体性能，我们希望它有最低的噪声提供干净的输出，最高的PSRR来抑制开关电源的纹波，同时保持超低压差来减小线性耗散的功率损耗，同时有着足够快的响应时间来支持电路的瞬态工作…
总之，人类对高性能的追求是没有止境的~
🐟在2020年第一次接触到LT3042/5 & LT3093/4这对超低噪声、超高PSRR LDO组合，当时被其无比牛逼的性能惊掉下巴…在100k以下PSRR始终保持约80dB以上，在高频开关电源常见的开关频段处PSRR仍然能维持在80dB左右，甚至在10M带宽内都能保有约60dB的PSRR，实在是过于恐怖了。
PSRR
而且更加恐怖的是其输出电压噪声，其宣称在10Hz-100kHz带宽内输出电压噪声为 0.8uVrms，听说ADI的Sales在推销这系列产品时打的广告是：噪声比干电池还低——
不同Cset和负载电流时的电压噪声谱密度
于是我找了一圈国内的模拟芯片供应商，发现比这种等级的LDO低一档的都没有…（当然也可能是本人见识短浅，信息渠道不够没找到）。
前段时间🐟在选型时突然发现某商城上搜索LT3042，蹦出来了个 GM1200，宣称平替LT3042！
兴奋地苍蝇搓手.jpg，这不得让他跟3042斗斗蛐蛐儿？
GM1200性能指标
截取自GM1200数据手册
GM1200简直照着3042模子刻出来的23333。同样熟悉的100uA电流源，单位增益的误差放大器。。下面是LT3042的框图，对比一下可以看到这部分几乎一样。
不同的是LT3042使用PNP BJT作为功率管，而GM1200似乎用了PMOS作为功率管。
下图是GM1200的PSRR、输出电压噪声谱密度与负载电流的关系
这次我们来测试其空载情况下的噪声水平和PSRR指标，并与LT3042对比。
我们的老熟人
如果您看过本站的一些文章，想必对 噪声放大器 一定有些印象。🐟之前参考ADI的应用笔记 AN-159 做了个噪声放大器，专门用于测量极低噪声。AN-159设计的初衷就是为了测试LT3042/5的极致性能，诶这不巧了么.jpg
这次有请我们的刑具——噪声放大器，以及我专门设计的隔离电源+LDO测试评估板，来为这些LDO上刑！（下方工程预览使用了KiCanvas）
这个EVM上搭载了2种开关电源：
- B0505XT-1WR3 隔离电源模块
- VPS8504B+VPT85BB-01A隔离变压器
同时有3个不同型号的LDO：
- TI的TPS7A4901
- ADI的LT3042
- 共模半导体的GM1200
通过排针+跳线帽来切换电源路径，同时预留了电池接口用于超低噪声测试，但最后没用上^_^
所有的SMA接口都是 纹波观测点，使用同轴线连接到示波器，开1MΩ输入阻抗+交流耦合测量
同时，我想验证AN-159中提出的一个Caution：
交流电流回路由绿色环路线标识。如果在LDO端存在输入电容（也就是那个被画了叉叉的），交流电流也会通过虚线所示回路流经输入电容，LT3042的输入端对相关的交流电流呈现高阻，所以AC不会流入LT3042。
这个流经输入电容的交变电流产生了一个 磁场，这个磁场又将在相邻的小环路中产生 感生电流——就像一个变压器的2个绕组之间的关系一样。其中2个关键的环路标识在图中，分别是蓝色和红色小环路。蓝色环路由Cset和Rset构成，这个环路连通内部的误差放大器，在这个环路中产生高频交流信号将会直接作用到误差放大器的输入端，从而直接馈通至LT3042的输出。红色环路由输出电容和LDO输出阻抗组成（还有附近的负载），这里产生的高频交流成分将会直接耦合至LDO的输出。
这可能稍微有些反直觉——移除LT3042的输入电容难道不会降低LDO的性能，从而增大输出纹波吗？
考虑到这不是信号的电气馈通，而是磁耦合，在设计PCB时我们就必须谨慎地考虑器件之间的距离、屏蔽措施、以及环路方向。磁场场强和距离以及环路面积有关，所以最小化环路面积非常重要（即不在LDO前加输入电容），同时增大DC-DC与LDO的距离以减小在敏感环路中引入的高频耦合（且仅使用DC-DC的输出电容）。
早在那时我就想验证这个结论了，但一直咕咕咕到现在。我画板时，在每个LDO输入端都放置了2个电容——一个紧贴着LDO，另一个离LDO隔开1cm距离。
开测！
靠近电容,PSRR性能对比
让LT3042和GM1200共用一个电源，仅焊接靠近LDO的电容，然后分别测试其输出空载纹波（将输出连接到噪声放大器输入端，经过80dB增益后从宽带端口输出，带宽约3MHz）；
示波器设置采样率拉到最高（1.25GSa/s），时基1ms，垂直档位100mV/div，FFT从0Hz到10MHz，并开启色温模式，以消除工频纹波对整体带来的测试波动干扰：
GM1200
LT3042
我们发现——二者性能不相上下！第一轮，平局。
拉远电容,PSRR性能对比
然后我们把2个LDO的输入电容拉远，放到1cm开外的地方，再次用相同的设备和设置，测试其输出噪声+纹波水平：
GM1200
LT3042
测试结果表面，同样不相上下。Round 2，平局。
去掉电容,性能对比
第三次，我们直接拆掉LDO的输入电容，这样LDO前方的电容就只有DCDC输出的后级滤波电容了（隔得老远了），再次测试：
GM1200，拆掉输入电容
LT3042，拆掉输入电容
可以明显看出，2个LDO性能都有明显的恶化…不仅尖峰电平变高，原来被抑制的信号也露出了獠牙。
验证AN-159
同时，我们将GM1200的前后3次测试结果自我对比一下：
GM1200 电容靠近
GM1200 电容远离
GM1200 拆掉电容
对比发现，电容靠近时，在1MHz-2MHz频带内 确实出现了一些峰，电容远离后，这些尖峰消失了。但是拆掉电容仍然是不太可取的做法。
然后我们再对比LT3042：
LT3042 电容靠近
LT3042 电容远离
LT3042 拆掉电容
对比LT3042时有个让我迷惑的点，为什么电容远离时反而噪声增加了…？？可能这和芯片的封装有关吧（3042我用的是QFN，而1200是MSOP）。。。同样地，拆掉电容后3042的噪声也爆炸了orz
10Hz-100kHz噪声测试
LT3042手册中，给出的200mA下的输出噪声如图：
我的噪声放大器是80dB增益，也就是10000倍。测量到的结果除以10000，就是LDO输出的噪声了。开测！
LDO空载输入噪声放大器，噪声放大器使用10Hz-100kHz输出端口，示波器水平时基打到1ms/div，垂直时基打到10mV/div，然后开启测量项-交流有效值，并且开启测量项直方图统计，作1000次计数来排除工频干扰。
首先测试LT3042：
高斯白噪声的峰峰分布应该符合高斯分布（正态分布），而真有效值是峰峰的平方律，所以应该符合 瑞利分布。
从直方图可以看出，噪声真有效值符合瑞利分布规律，但有工频干扰，瑞利分布的中心和统计的平均值基本重合，所以可以排除干扰，直接读取Avg作为测量结果。平均交流有效值6.58mVrms，也就是说3042空载输出的噪声（10Hz-100kHz）真有效值约为0.65uVrms！
再来看GM1200：
GM1200的输出中，工频干扰的幅度更大些…可能和我PCB布局有关（GM1200位于DCDC输出的最远端），但通过统计手段可以一定程度上排除干扰。
直方图可以看出，噪声真有效值分布基本符合瑞利分布，但是干扰幅度太大导致平均值偏移。从分布图大致可以读出，分布中心约为8.7mVrms，也就是说GM1200空载输出的噪声（10Hz-100kHz）真有效值约为0.8uVrms
鉴于干扰缘故，我无法严格判定这两个器件的噪声性能孰优孰劣（况且我只测试了空载，没有测带载情况）。那么第三局还是平局吧#狗头
总结
GM1200虽然感觉上稍逊于LT3042，但PSRR和输出噪声这两个核心指标基本上能和3042平起平坐。再考虑到MSOP封装的GM1200的售价只有13RMB，我觉得GM1200已经可以成为更具性价比的高性能LDO选择了~
那么这次的赛博斗蛐蛐就告一段落了，我们下次见(￣▽￣)"
