정밀 PSRR 측정 기법

전원신호에 대한 제거비를 나타내는 PSRR은 이론상으론 매우 간단해 보이지만 이를 정확히 측정해 내는 것이 중요하다. PSRR 측정 시 측정 전에 프로브 변화를 교정하고 셋업의 잡음 플로어를 측정해 측정 제약을 알아내는 것이 중요하다.
따라서 이 글에서는 PSRR 측정 방해요소에 대해 알아보고 정확한 측정을 위한
셋업의 중요성과 잡음 플로어를 낮추는 방식에 대해 알아본다.

John Rice  텍사스 인스트루먼트
Steve Sandler  피코테스트


서론

변수-주파수 신호가 전원 공급 장치 입력을 변조하면 신호의 감쇠(attenu-ation)가 출력 단계에서 측정될 수 있다. 이처럼 이론상으로 PSRR (Pow-er-Supply-Rejection Ratio)을 측정하는 것은 비교적 간단하다. 그러나 PSRR 측정은 프로브-루프(Probe -Loop) 영역과 PCB(Printed Circuit Board) 레이아웃에서 나오는 잡음에 매우 민감하다.
따라서 이 글에서는 PSRR 측정을 방해하는 문제들을 연구해보고 하이파이(High-Fidelity) 신호 인젝터와 민감형·선택형 VNA(Vector Network Analyzer)를 이용하여 이를 극복할 방법을 제시하고자 한다.

입력 신호 변조

레귤레이터로 들어오는 입력을 변조하는 가장 쉬운 방법은 피코테스트(Picotest)의 J2120A와 같은 라인 인젝터를 이용하는 것이다. 이 디바이스는 입력 위치에서 50V, 5A의 입력 전류를 수용한다. 또한 VNA와 연결된 J2120A가 직접 입력 전압을 변조하고, VNA는 그 입력 및 출력 감쇠를 측정한다.
이 방식의 단점은 입력 라인에 진입해야하고, 인젝터 전체에서 전압강하(Voltage Drop)를 수용해야 한다는 점이다. 이러한 단점은 벤치 테스팅에서는 별문제가 되지 않지만, 회로에서 측정을 수행할 때에는 큰 문제가 될 수 있다.
또한 입력을 변조할 다른 방법은 저주파수 DC 블로커(예, J2130A DC 바이어 인젝터)를 이용해 VNA를 테스트 대상 디바이스와 용량 적으로 연결하는 것이다.
일반적으로 입력 위치에서 신호의 크기는 VNA의 50Ω 소스 임피던스에 의해 제한된다. 하지만 이 신호는 VNA로 측정이 가능할 만큼 크기 때문에 입력 연결에 진입할 필요 없이 변조 대상 전압에 DC 로딩을 추가하지 않고 회로 내에서 수행할 수 있다.

캘리브레이션

PSRR 측정 시 측정 전에 프로브 변화를 교정하고 셋업의 잡음 플로어를 측정해 측정 시 발생할 수 있는 제약을 알아내야 한다. 따라서 이를 설명하기 위해 그림 1에 캘리브레이션에 사용할 테스트 보드 셋업에 대해 나타냈다.
그림 1의 검은색 와이어와 하얀색 와이어는 J2120A 라인 인젝터의 입력을 나타내고 오른쪽의 적색과 검은색 클립은 J222A 전류 인젝터에 연결되어 있으며 J2111A는 25mA 부하로서 역할 한다.



그리고 두 개의 프로브는 공통 출력 그라운드에 연결된다.
여기서 동일한 변조 신호를 보려면 두 프로브 끝을 모두 같은 입력에 연결해야 한다. 그런 다음 VNA에서 Thru 캘리브레이션을 수행하여 프로브나 케이블 관련 결함을 교정해야 한다. 이러한 일련의 작업 후에는 문제의 주파수 대역에서 VNA의 플랫 게인 응답이 관찰되어야 한다.

잡음 플로어 평가

프로브 캘리브레이션이 완료되면 출력 감지 프로브를 그라운드 연결에 쇼트(shorting) 시켜 잡음 플로어를 평가할 수 있다(그림 2).



여기서는 잡음 플로어가 오늘날 대부분 레귤레이터의 PSRR과의 관계에서 너무 높다는 사실과 실제 PSRR을 알아내려면 더 나은 셋업이 필요하다는 사실을 알 수 있다.
일반적으로 PSRR과 같은 하이파이 측정에는 최소한의 프로브-루프 영역으로 꼼꼼히 종결 처리한 연결을 사용해야 한다. 사실상 그림 2의 로우파이 측정은 스코프 프로브의 그라운드 클립에 의해 와이어 루프에 유도된 잡음의 결과물이다.
또한 그림 3을 보면 알 수 있듯이 다음 측정 셋업에서 출력 스코프 프로브는 출력 커패시터에 직접 납땜 된 SMA 어댑터를 통해 50Ω 동축케이블로 교체된다.



이 50Ω 동축케이블은 J2130A DC 블로커와 F2102A 공통모드 트랜스포머를 통해 VNA에 연결된다. 따라서 이 프로브를 출력 그라운드 위치에서 쇼트시켜 잡음 플로어를 평가할 수 있다. 결국 그림 3을 보면 잡음 플로어가 90dB 이상으로 1kHz까지 개선됐다는 점을 알 수 있다.
다음으로 입력-사이드 스코프 프로브를 입력 커패시터에 직접 납땜한 50Ω 동축케이블로 교체한다(그림 4).



참고로 전체 셋업(두 개의 50Ω 동축케이블과 J2102A, J2130A, J2120A, J2111A)과 잡음 플로어·PSRR 측정에 대해 그림 5에 나타냈다.



이 셋업은 훨씬 낮은 잡음 플로어를 가지고 있기 때문에 PSRR 측정은 1MHz까지 가능하며, 만약 90dB 이상에서는 저-주파수 PSRR를 사용하는 것이 좋다. 이는 30kHz 근처의 PSRR 공명은 PCB 레이아웃 때문이거나 부품 와류 인터랙션(Component Para-sitic Interaction) 때문이다.
이에 보충해서 좋은 셋업의 중요성을 설명하기 위해 꼼꼼히 설계된 레귤레이터, PCB 레이아웃, 셋업의 PSRR을 그림 6에 나타냈다.



그림 6을 보면 꼼꼼한 셋업과 적절한 측정 장비가 있으면 매우 낮은 잡음 플로어를 얻을 수 있고 그 결과 매우 정확한 PSRR 측정이 가능해진다는 것을 알 수 있다.
마지막으로 앞서 언급한 인젝션 방식을 검증하기 위해 TI(Texas Instru-ment)의 LM317 조절 레귤레이터의 PSRR을 J2120A 라인 인젝터와 J2130A DC 바이어스 인젝터의 두 가지 방식으로 나누어 측정했다. 이 결과는 그림 7에 나타냈는데, 이 그림을 보면 거의 완벽한 오버랩핑(overlap-ping) 플롯이 형성된 것을 확인할 수 있다.



이는 두 개의 인젝션 방식 사이에 매우 뛰어난 연관성이 있다는 방증이다.

결론

지금까지 이 글에서는 PSRR 측정이 개념상으로는 단순하지만 정확한 결과를 달성해내는데 셋업이 매우 중요하다는 사실과 잡음 플로어를 낮추는 방법에 대해 설명했다.