如何使用12bit高精度示波器測試電源軌噪聲方式

在探測嵌入式系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）時，有許多要注意的事項，通常要測試的信號是浮在大電壓上的很小信號，必須很好地理解和管理測量系統(tǒng)的噪聲。信號路徑中的阻抗不匹配會引起高頻成分的反射，某些探測方式可能無法提供足夠的偏置范圍以匹配大的DC電壓，帶寬限制會無法捕獲和表征高頻噪聲。而且，由于PDN的直流阻抗通常低至1Ω甚至更低，因此低阻抗探測方式可能會在DUT上施加過大的負載。在本文，我們將討論使用特勵達力科12位高清示波器的各種電源噪聲探測方式，以及如何選擇更好的測試方式。

電源噪聲探測方式概述

一般而言，使用高精度示波器測試電源噪聲有五種方式（表1）：

表1 五種電源噪聲探測方式

第一種方式：無源探頭

與大多數(shù)示波器一樣，特勵達力科所有12位示波器都標配有一組10MΩ無源探頭，這種探頭的帶寬通常為500 MHz，連接到1MΩ耦合示波器輸入時，探頭的高阻抗可提供良好的直流負載特性。

10MΩ無源探頭必須考慮接地，使用典型的3英寸接地導(dǎo)線會導(dǎo)致很高的RF干擾以及高電感和信號振鈴，通常最好使用較短的彈簧型接地線。它具有較小的“天線”效應(yīng)，因此具有較少的RF拾取以及較短的電感環(huán)路，可減少振鈴。

圖1：10MΩ無源探頭的10:1衰減導(dǎo)致信號無法利用示波器的整個ADC動態(tài)范圍

10MΩ無源探頭具有10:1的衰減，這意味著信號衰減了10倍，但測量系統(tǒng)中的噪聲不受影響---因此，SNR比1:1探頭或直接連接低了20 dB。從圖1可以看出，由于10:1衰減，信號顯示為80 mV滿量程，在這種情況下，靈敏度限制為10 mV / div或更高。

注意：為了比較所有五種方式的噪聲性能，我們將每種方法都應(yīng)用到相同的900mV電源軌，為了公平比較，所有信號的帶寬都限制在500 MHz以內(nèi)，并在所需的偏置下，調(diào)整垂直靈敏度，以使SNR最大，在每個示例中，下方的波形為5 mV / div的放大。

第二種方式：同軸線纜+1M歐姆耦合

使用高精度示波器測試電源軌的第二種方式是同軸線纜連接到示波器的1MΩ輸入，無論是設(shè)計到DUT中還是通過焊接連接，與DUT的同軸連接的主要優(yōu)點有兩個：連接的高帶寬和較小的接地環(huán)路，以實現(xiàn)低RF拾取。

圖2描繪了使用同軸線纜與示波器的1-MΩ輸入連接測量900 mV電源軌的結(jié)果，在沒有衰減的情況下，這種方法可實現(xiàn)高SNR，但從50Ω同軸電纜到1MΩ輸入的阻抗不連續(xù)會引起反射。特勵達力科的HD4096示波器具有高偏置能力，這意味著能夠充分偏置輸入，以匹配900 mV的電源軌，同時保持最大的垂直靈敏度。

圖2：與示波器1MΩ輸入的同軸線纜連接消除了衰減，但阻抗不連續(xù)會引起反射

第三種方式：同軸線纜+50歐姆耦合

第三種方式是使用同軸線纜與示波器的50Ω連接，與前面方法不同之處在于它提供了更高的帶寬。但是，它提供的低偏置范圍對于某些示波器可能是個問題。當50Ω示波器輸入加載到具有極低阻抗（遠小于1Ω）電源軌時，也可能存在負載問題。

通過同軸連接到示波器的50Ω輸入來測量900 mV電源軌，還可以實現(xiàn)較高的SNR，而特勵達力科的HD4096高精度示波器具有足夠的偏置能力，可以偏置示波器的輸入而不會產(chǎn)生不利的靈敏度影響（圖3）。

圖3：與示波器的50-Ω輸入端的同軸連接可改善帶寬，但對極低阻抗的電源軌可能會導(dǎo)致負載問題

因為該電源軌具有高阻抗，所以50-Ω負載不是問題， 但是，如果它的阻抗很低，那么負載可能是一個重大問題。

第四種方式：10:1同軸探頭

探測方式4是10:1同軸探頭，可以使用同軸電纜和450Ω電阻自制，也可以購買， 當與示波器的50Ω耦合輸入連接時，10:1同軸探頭會以10:1的比例將輸入信號衰減。有效帶寬可能非常高，這取決于與DUT的連接質(zhì)量。但是，10:1同軸探頭與10MΩ無源探頭具有相同的20dB噪聲損失（圖4），根據(jù)PDN自身阻抗，可能可以承受450 歐姆的負載。

圖4：10:1同軸探頭衰減輸入信號，并與10-M無源探頭有相同的信噪比

第五種方式：電源完整性探頭

最后，第五種選擇是電源軌探頭，專門用于探測電源軌（如特勵達力科RP4060有源電源軌探頭），該探頭提供4 GHz的高帶寬，低噪聲，僅1.2倍的衰減以及±30 V DC的高偏置能力。

當使用RP4060電源軌探頭測量900 mV電源軌時，探頭的1:1衰減實現(xiàn)了更低的噪聲，而高達30 V的大DC偏置范圍則足以勝任當前的工作（圖5）, 它還在DC上呈現(xiàn)50kΩ的負載，這意味著不會從低阻抗電源軌上汲取大量電流。

圖5：專門為探測電源軌而設(shè)計的RP4060電壓軌探頭具有低噪聲，大DC偏置范圍，并且不會從低阻抗電源軌汲取電流

偏置和靈敏度對比：3.3V電源軌

如圖六所示，為使用同軸線纜測量3.3V電源軌，測量3.3V電源軌需要3.3V的偏置，在需要高帶寬測量時，與示波器的50-Ω輸入連接的同軸線纜只能在低靈敏度設(shè)置下實現(xiàn)此偏置，這會降低SNR。

圖6使用同軸線纜測試3.3V電源軌

但是，電源軌探頭可以在非常大的偏置下實現(xiàn)全靈敏度，從而可以實現(xiàn)更高的SNR和更精確的測量（圖7），在40 mV pk-pk的滿量程輸入范圍內(nèi)進行測量意味著可以應(yīng)用更多的ADC分辨率來數(shù)字化信號，這可以改善SNR。

圖7與圖6相比，RP4060電源軌探頭在很高的偏置下實現(xiàn)了更高靈敏度，在數(shù)字化輸入信號時采用了更高的ADC分辨率

帶寬對比：帶有很多噪聲的3.3V電源軌

為了比較五種電源軌探測方式的帶寬，我們用一個4 GHz示波器來測量帶有大量高頻時鐘信號噪聲的3.3 V電源軌，同時，調(diào)整偏置和垂直靈敏度以使SNR最大化。

由于帶寬限制為500 MHz，10MΩ無源探頭無法捕獲信號的所有高頻成分（圖8，左上方），同樣的，與示波器的1MΩ耦合輸入連接的同軸線纜具有超過1 GHz的帶寬，但仍不足以覆蓋時鐘噪聲信號的全部頻譜（圖8，右上）。

使用同軸電纜連接到示波器的50Ω輸入，其帶寬要好一些，因為它具有4 GHz帶寬：足以捕獲噪聲信號的整個頻譜。但是，為了在這種耦合和帶寬條件下獲得足夠的偏置，垂直靈敏度會受到限制（圖8，中左）。

圖8五種測量方式帶寬的對比

就其本身而言，10:1同軸探頭具有4 GHz的帶寬，可進行全頻譜采集，但是探頭的10:1衰減會導(dǎo)致SNR降低20 dB（圖8，中右）。

當使用RP4060電源軌探頭測量嘈雜的3.3V電源軌時，該探頭不僅具有足夠的帶寬來進行全頻譜捕獲，而且還沒有衰減，并具有非常高的偏置范圍（圖8，底部）。在10:1同軸探頭和RP4060探頭（圖9）的疊加比較中，請注意前者和后者之間的本底噪聲差異。

圖9：與RP4060電源軌探頭和10:1同軸探頭相比，可以明顯觀察到兩個探頭之間的本底噪聲差異

總結(jié)

示波器和探頭是影響電源軌噪聲測量的主要因素，以上介紹了使用特勵達力科12位高精度示波器探測電源軌的各種方式各自的優(yōu)點和缺點。有些方式（例如10MΩ無源探頭）對電源軌的負載很小，但帶寬有限。如果電源軌阻抗很低，但帶寬卻很高，有些方式（例如與示波器的50歐姆輸入端同軸連接）在負載方面就存在問題。RP4060電壓軌探頭是個例外，它是專為電源軌探測而設(shè)計的，旨在消除這些折衷，配合特勵達力科低噪聲12bit示波器使用，可以準確測量電源軌噪聲。

審核編輯：劉清