如何使用12bit高精度示波器测试电源轨噪声方式

在探测嵌入式系统配电网络（PDN）时，有许多要注意的事项，通常要测试的信号是浮在大电压上的很小信号，必须很好地理解和管理测量系统的噪声。信号路径中的阻抗不匹配会引起高频成分的反射，某些探测方式可能无法提供足够的偏置范围以匹配大的DC电压，带宽限制会无法捕获和表征高频噪声。而且，由于PDN的直流阻抗通常低至1Ω甚至更低，因此低阻抗探测方式可能会在DUT上施加过大的负载。在本文，我们将讨论使用特励达力科12位高清示波器的各种电源噪声探测方式，以及如何选择更好的测试方式。

电源噪声探测方式概述

一般而言，使用高精度示波器测试电源噪声有五种方式（表1）：

表1 五种电源噪声探测方式

第一种方式：无源探头

与大多数示波器一样，特励达力科所有12位示波器都标配有一组10MΩ无源探头，这种探头的带宽通常为500 MHz，连接到1MΩ耦合示波器输入时，探头的高阻抗可提供良好的直流负载特性。

10MΩ无源探头必须考虑接地，使用典型的3英寸接地导线会导致很高的RF干扰以及高电感和信号振铃，通常最好使用较短的弹簧型接地线。它具有较小的“天线”效应，因此具有较少的RF拾取以及较短的电感环路，可减少振铃。

图1：10MΩ无源探头的10:1衰减导致信号无法利用示波器的整个ADC动态范围

10MΩ无源探头具有10:1的衰减，这意味着信号衰减了10倍，但测量系统中的噪声不受影响---因此，SNR比1:1探头或直接连接低了20 dB。从图1可以看出，由于10:1衰减，信号显示为80 mV满量程，在这种情况下，灵敏度限制为10 mV / div或更高。

注意：为了比较所有五种方式的噪声性能，我们将每种方法都应用到相同的900mV电源轨，为了公平比较，所有信号的带宽都限制在500 MHz以内，并在所需的偏置下，调整垂直灵敏度，以使SNR最大，在每个示例中，下方的波形为5 mV / div的放大。

第二种方式：同轴线缆+1M欧姆耦合

使用高精度示波器测试电源轨的第二种方式是同轴线缆连接到示波器的1MΩ输入，无论是设计到DUT中还是通过焊接连接，与DUT的同轴连接的主要优点有两个：连接的高带宽和较小的接地环路，以实现低RF拾取。

图2描绘了使用同轴线缆与示波器的1-MΩ输入连接测量900 mV电源轨的结果，在没有衰减的情况下，这种方法可实现高SNR，但从50Ω同轴电缆到1MΩ输入的阻抗不连续会引起反射。特励达力科的HD4096示波器具有高偏置能力，这意味着能够充分偏置输入，以匹配900 mV的电源轨，同时保持最大的垂直灵敏度。

图2：与示波器1MΩ输入的同轴线缆连接消除了衰减，但阻抗不连续会引起反射

第三种方式：同轴线缆+50欧姆耦合

第三种方式是使用同轴线缆与示波器的50Ω连接，与前面方法不同之处在于它提供了更高的带宽。但是，它提供的低偏置范围对于某些示波器可能是个问题。当50Ω示波器输入加载到具有极低阻抗（远小于1Ω）电源轨时，也可能存在负载问题。

通过同轴连接到示波器的50Ω输入来测量900 mV电源轨，还可以实现较高的SNR，而特励达力科的HD4096高精度示波器具有足够的偏置能力，可以偏置示波器的输入而不会产生不利的灵敏度影响（图3）。

图3：与示波器的50-Ω输入端的同轴连接可改善带宽，但对极低阻抗的电源轨可能会导致负载问题

因为该电源轨具有高阻抗，所以50-Ω负载不是问题， 但是，如果它的阻抗很低，那么负载可能是一个重大问题。

第四种方式：10:1同轴探头

探测方式4是10:1同轴探头，可以使用同轴电缆和450Ω电阻自制，也可以购买， 当与示波器的50Ω耦合输入连接时，10:1同轴探头会以10:1的比例将输入信号衰减。有效带宽可能非常高，这取决于与DUT的连接质量。但是，10:1同轴探头与10MΩ无源探头具有相同的20dB噪声损失（图4），根据PDN自身阻抗，可能可以承受450 欧姆的负载。

图4：10:1同轴探头衰减输入信号，并与10-M无源探头有相同的信噪比

第五种方式：电源完整性探头

最后，第五种选择是电源轨探头，专门用于探测电源轨（如特励达力科RP4060有源电源轨探头），该探头提供4 GHz的高带宽，低噪声，仅1.2倍的衰减以及±30 V DC的高偏置能力。

当使用RP4060电源轨探头测量900 mV电源轨时，探头的1:1衰减实现了更低的噪声，而高达30 V的大DC偏置范围则足以胜任当前的工作（图5）, 它还在DC上呈现50kΩ的负载，这意味着不会从低阻抗电源轨上汲取大量电流。

图5：专门为探测电源轨而设计的RP4060电压轨探头具有低噪声，大DC偏置范围，并且不会从低阻抗电源轨汲取电流

偏置和灵敏度对比：3.3V电源轨

如图六所示，为使用同轴线缆测量3.3V电源轨，测量3.3V电源轨需要3.3V的偏置，在需要高带宽测量时，与示波器的50-Ω输入连接的同轴线缆只能在低灵敏度设置下实现此偏置，这会降低SNR。

图6使用同轴线缆测试3.3V电源轨

但是，电源轨探头可以在非常大的偏置下实现全灵敏度，从而可以实现更高的SNR和更精确的测量（图7），在40 mV pk-pk的满量程输入范围内进行测量意味着可以应用更多的ADC分辨率来数字化信号，这可以改善SNR。

图7与图6相比，RP4060电源轨探头在很高的偏置下实现了更高灵敏度，在数字化输入信号时采用了更高的ADC分辨率

带宽对比：带有很多噪声的3.3V电源轨

为了比较五种电源轨探测方式的带宽，我们用一个4 GHz示波器来测量带有大量高频时钟信号噪声的3.3 V电源轨，同时，调整偏置和垂直灵敏度以使SNR最大化。

由于带宽限制为500 MHz，10MΩ无源探头无法捕获信号的所有高频成分（图8，左上方），同样的，与示波器的1MΩ耦合输入连接的同轴线缆具有超过1 GHz的带宽，但仍不足以覆盖时钟噪声信号的全部频谱（图8，右上）。

使用同轴电缆连接到示波器的50Ω输入，其带宽要好一些，因为它具有4 GHz带宽：足以捕获噪声信号的整个频谱。但是，为了在这种耦合和带宽条件下获得足够的偏置，垂直灵敏度会受到限制（图8，中左）。

图8五种测量方式带宽的对比

就其本身而言，10:1同轴探头具有4 GHz的带宽，可进行全频谱采集，但是探头的10:1衰减会导致SNR降低20 dB（图8，中右）。

当使用RP4060电源轨探头测量嘈杂的3.3V电源轨时，该探头不仅具有足够的带宽来进行全频谱捕获，而且还没有衰减，并具有非常高的偏置范围（图8，底部）。在10:1同轴探头和RP4060探头（图9）的叠加比较中，请注意前者和后者之间的本底噪声差异。

图9：与RP4060电源轨探头和10:1同轴探头相比，可以明显观察到两个探头之间的本底噪声差异

总结

示波器和探头是影响电源轨噪声测量的主要因素，以上介绍了使用特励达力科12位高精度示波器探测电源轨的各种方式各自的优点和缺点。有些方式（例如10MΩ无源探头）对电源轨的负载很小，但带宽有限。如果电源轨阻抗很低，但带宽却很高，有些方式（例如与示波器的50欧姆输入端同轴连接）在负载方面就存在问题。RP4060电压轨探头是个例外，它是专为电源轨探测而设计的，旨在消除这些折衷，配合特励达力科低噪声12bit示波器使用，可以准确测量电源轨噪声。

审核编辑：刘清