用示波器測量電源噪聲的方法(1)

引言

如今的電子設計越來越趨向與切換速度加快，封裝上會有更多的引腳，信號幅度更小。因此設計人員在從手機到服務器等新的數字電路設計中會更注意電源噪聲。實時示波器通常用來測量電源噪聲。本文將講述分析電源噪聲的技術，評估電源噪聲測試的工具。

面臨的問題

由于切換速度和信號轉換速率增加，設備上需要切換的引腳數目越來越多，電源中引入了更多的切換噪聲。同時，電路也變得越來越受電源噪聲影響。減少單位間隔意味著減少時間裕量。減小信號幅度會轉為減少噪聲裕量。對所有工程上會遇到的問題，理解問題并精確的測量數據才能解決問題。

對“噪聲”的理解

在理想的情況下，電源是不會有噪聲的，那么電源噪聲是怎么產生的呢？

除了由于熱過程不可避免引起的高斯噪聲（通常這不是噪聲的主要部分）之外，所有的電源噪聲都會有一到兩個源。開關電源會造成不希望的噪聲，這些噪聲通常會在開關切換頻率的諧波或者和切換頻率一致。當門電路和輸出引腳驅動開關時，會要從電源上得到電流。這是大多數數字電路中的噪聲源。這些切換雖然會隨機的發生，但是會趨向于和系統時鐘一致。當我們把這些看出是疊加在電源上的“信號”而不是“噪聲”的時候，分析就會變得簡單有效。

測量的挑戰

由于電源噪聲帶寬很大，設計師更傾向于用示波器來測量電源噪聲。我們會在后面講述示波器對噪聲原因分析的獨特作用。

實時高帶寬數字示波器和高帶寬探頭自身也有噪聲，這個必須要考慮。如果你要測量的電源噪聲和示波器以及探頭的噪底是在一個數量級上的話，你的測量的精確度就會有問題了。本文就要討論關于示波器噪底的更多信息。

另外一個問題是動態范圍。電源是直流電壓，上面的交流噪聲占直流電平的比例很小。有些示波器很探頭就會遇到問題，要設置好偏置，要很好的探測才能得到更好的觀測噪聲，才能是示波器自身的噪底很小。下面就講一講示波器自身的噪聲。

示波器自身的噪聲

圖1. 噪聲源

如圖1所示。示波器探頭系統中有2個主要的噪聲源。示波器的輸入放大器和緩沖電路會造成噪聲，探頭放大器自身設計也會帶來噪聲。

所有的示波器都有衰減器來調整垂直方向縮放系數。在衰減器之后噪聲會出現。所以當衰減器的比例是其他任何不為1:1的比例時（也就是示波器最敏感的硬件范圍），噪聲在輸入接頭處會相應的被放大。例如，如果一個示波器在沒有衰減器的時候，最小的敏感范圍是5mV/格。假定示波器在調成5mV/格時噪底均方根是500uV。把最小敏感范圍調節成50mV/格時，示波器在輸入出串聯了一個10:1的衰減器，噪聲在輸入出就會變成均方根為5mV（500uV乘以 10）.

因此，應該使用示波器最小的敏感范圍來避免“放大”示波器自身的噪聲。

示波器探頭的噪聲是在示波器衰減器的前面，所以無論衰減系數是多少，噪聲的貢獻都是一樣的。

在大多數情況下，把示波器調節成最敏感范圍時，探頭的噪聲會比示波器的噪聲大很多。你可能會問：為什么還要用探頭？大多數電源驅動示波器50歐姆是沒有問題的，那么為什么還要使用探頭引入的不必要噪聲呢？問題的原因是和動態范圍有關。下面舉例說。測量1.5V直流電源噪聲時，需要把偏置設成1.5V來把信號放在屏幕的中央同樣也是放在示波器A/D轉換器測量范圍的中間。在1.5V偏置的情況下示波器最小敏感范圍是100mV/格。在100mV/格時，示波器自身的噪聲均方根大約是3mV。在100mV/格時，你要測量的噪聲只占A/D轉換器量程比例的一小部分，你必須要再測量是滿足分辨率的要求。如果使用差分有源探頭，你可以在把偏置設成1.5V直流電壓時，用10mV/格來測量。

如果示波器支持AC耦合，動態范圍的問題也可以用AC耦合來解決。如果你的示波器有50歐姆輸入，使用50歐姆同軸電纜和1:1的探頭（如后面所示），你可以使用一個串行的隔直電容。選擇一個能觀測到最小有用頻率的隔直電容。使用AC耦合的唯一缺點是你無法觀測電源電壓的緩慢變化。

測量實例

此實驗中為了模擬電源中可控的噪聲源，我們用如圖2所示的噪聲源。方波模擬從驅動管腳和其他瞬態負責引起的切換噪聲。正弦波模擬開關電源噪聲。我們同時也加入了隨機噪聲來使測量相關噪聲變得更困難。

圖2.實驗設置

首先我們測量系統自身的噪聲，包括示波器和探頭。圖3顯示了在沒有探頭時的噪聲。測量噪聲的數量級是均方根800uV。如果我們要測量的噪聲的數量級是均方根2.4mV或者更小，測量的結果就有問題了，這取決于噪聲自身的特性。正交的高斯分布的噪聲如果是均方根2.4mV,測量的結果就是2.4mV平方加 800uV的平方，然后開根號，結果是2.53mV,誤差率大約是5%。

圖3. 示波器和探頭噪聲

從另一方面說，如果噪聲是有邊界的相關聯的，我們可以在更小的幅度上精確的測量。

圖4顯示的“噪聲”包括了3種噪聲源：正弦波，方波，隨機噪聲，在這個圖中沒有有用的分析信息。