力科示波器基礎應用系列之九--- 電源噪聲測量

示波器通道的設置
在電源噪聲測試中，還存在示波器通道輸入阻抗選擇的爭議。示波器的通道有DC50/DC1M/AC1M 三個選項可選。一些工程師認為應該使用1M 歐的輸入阻抗，另一些認為50 歐的輸入阻抗更合適。

在芯片端的電源和地阻抗通常是毫歐級別的，高頻的電源噪聲從同軸電纜傳輸?shù)绞静ㄆ魍ǖ篮螅斒静ㄆ鬏斎胱杩故?0 歐時，同軸電纜的特性阻抗50 歐與通道的完全匹配，沒有反射；而通道輸入阻抗為1M歐時，相當于是高阻，根據傳輸線理論，電源噪聲發(fā)生反射，這樣，導致1M 歐輸入阻抗時測試的電源噪聲高于50 歐的。在下面的測試中驗證了這一觀點。

我們使用了某1G 帶寬的示波器測量某機頂盒內某芯片的電源噪聲，示波器采樣率為2.5GS/s，時基為1ms/div，通道帶寬為1G，通過ERES 函數(shù)限制帶寬為625MHz，探頭為1 倍衰減的傳輸線探頭，示波器通道分別設為DC1M 和DC50，記錄測試數(shù)據，圖5 為DC50 加上625M 低通濾波器后的電源噪聲測試結果，其平均值為21.573mV。表2 為改變通道阻抗和帶寬的4 種組合下的電源噪聲以及電源電壓均值。

可以看到， 通道阻抗為1M歐、帶寬為625MHz時，電源噪聲為24.1mV；通道阻抗為50歐、帶寬為625MHz時，電源噪聲為21.573mV；可見，通道阻抗為1M歐時電源噪聲測量結果大于DC50的。 所以，測量電源噪聲是需要選擇DC50，測量電源的直流電壓要選更高阻抗的DC1M。

測試電源噪聲時，示波器的采樣率建議設置為2Gs/s以上以采集到高頻段的噪聲。時基設置為1ms/div以上以捕獲大于10ms的波形。如果捕獲的時間長度不夠，則會導致測量結果偏差較大。開關電源系統(tǒng)通常是AC-DC-DC的變換過程。AC源于電網電壓，是一種源效應，經過閉環(huán)控制后仍然很難消除。電網電壓的頻率是50Hz，整流之后是100HZ。電源紋波測量應完整地包含100HZ的低頻周期。

電源噪聲測量的解決之道
考慮到以上幾種影響噪聲測量的因素，HDO4000示波器加上1：1無源傳輸線探頭，通道阻抗設為DC50是目前最好的測量電源噪聲方案。HDO4000為12比特分辨率的高清示波器，能提供更高的分辨率，更小的量化誤差，更靈活的偏置電壓設置、更低的底噪。

如下圖6為HDO4000示波器使用1：1無源探頭測量某機頂盒的電源噪聲測試結果，可以看到，電源電壓為1.27V，其電源噪聲峰峰值不超過18.22mV，統(tǒng)計后的平均值為16.2575mV。在圖5和表格2中，使用普通8位ADC示波器測量相同電源，得到的電源噪聲分別為21.573mV和22.371mV，很可能是由于后者的底噪較大引起的。

同時，使用了示波器獨特的頻譜分析軟件，在頻域中實時觀察電源噪聲的主要來源。從圖中左側的列表中可以看到，噪聲頻譜的第一個峰值頻點為332KHz，應該是板上332KHz的開關電源引入的，該頻點的幅度比其他峰值頻點大20dB，說明它是噪聲的主要來源；另外，還可以看到200MHz的頻點，應該是板上200MHz的時鐘引入的噪聲。

如果使用常規(guī)實時示波器測量電源噪聲，當垂直刻度調到5mV/div時，偏置電壓可能在1V以內，無法測量大于1V的電源，通常，在1：1的無源傳輸線探頭中串聯(lián)隔直電容，把待測試信號隔直后就可以測量了。這種測試方法的缺點為隔直電容會影響測試結果，選擇不同的電容可能有不同的測試結果，增加了測試的不確定性。

對于低電壓電源的噪聲測試，以下為各種測試方案，排前面的為優(yōu)選的測試方案。
1. 低噪聲12位ADC示波器HDO4000 + 1倍衰減無源傳輸線探頭
2. 常規(guī)8位ADC示波器 + 1倍衰減無源傳輸線探頭
3. 常規(guī)8位ADC示波器 + 隔直電容 + 1倍衰減無源傳輸線探頭

綜上所述，方案1是準確測量電源噪聲的最佳選擇，對于方案3中隔直電容的選擇，筆者在另一篇文章會予以分析，也歡迎讀者參與討論！

參考文獻：
1, Ericsson Design Note – Output ripple and noise measurement methods for Ericsson power modules.

2, Madhavan Swaminathan, A.Ege Engin, "Power Integrity Modeling and Design for Semiconductors and Systems".