電源噪聲測量中的陷阱之示波器探頭負載和帶寬-云帆興燁

發表日期：2021/08/27 瀏覽次數：

前面我們已經討論了測量電源噪聲中面臨的各種挑戰，包括RF干擾和信噪比（SNR），接下來我們來看另一個挑戰：如何在測量中實現高帶寬，同時最大限度地減少DUT上的電流負載？鑒于DUT是電源軌，我們不希望從它汲取太多電流。但是這兩個測量要求是相互矛盾的，它與互連信號的基本特性有關。

假設探頭是一根同軸電纜，示波器探頭的輸入阻抗設置為1MΩ，利用次探頭探測低阻抗的電源，從該電源發射到探頭的任何瞬變，則會遇到1MΩ輸入阻抗并反射回來，從而引發振鈴（圖1）。

圖1：在低阻抗電源軌和1MΩ輸入阻抗之間連接6“長的同軸電纜會在信號采集時產生反射和振鈴

在示波器上看到多少振鈴取決于同軸電纜的長度與示波器的帶寬，如果想將振鈴頻率推高到超出您的例如1-GHz示波器的帶寬限制，那么需要使用的同軸電纜足夠短，以至于它聽起來不切實際。它需要小于3英寸長。如果你使用儀器的全部帶寬，將會看到顯示屏上看到明顯的振鈴誤差。

所以為了實用起見，我們會使用更長的同軸電纜。只要示波器的1MΩ輸入阻抗與電源軌DUT的阻抗之間存在阻抗不匹配，就會產生反射并因此產生振鈴。因此，要想不產生振鈴誤差，你可以獲得的最高帶寬可能低于預期。

怎樣才能解決這個振鈴問題呢？非常簡單：在示波器上使用50Ω輸入阻抗，這種端接設計用于終止電纜中的反射。

但這里有一個矛盾：如果在示波器探頭上使用50Ω輸入端接，則在電源上將包含50Ω負載。如果測量5 V電壓軌，這是示波器中的50Ω電阻可以承受的最高電壓，它將消耗100 mA，如果電源提供100 A，這不是問題，但如果它是LDO，最大電流為200mA，示波器將消耗一半的裕量。

另一種選擇是使用10X衰減示波器探頭，它有一個1MΩ的示波器輸入，因此不會使電源負載過大。如上所述，10X探頭將失去20 dB的SNR。一些工程師在探頭前端使用450Ω串聯電阻來制作“手工”的10X探頭，負載是500Ω，同軸電纜仍然有50Ω終端，所以他們都很高興。但同樣，已經引入了10倍衰減，為了阻抗匹配犧牲了SNR。

使用同軸探針可以測量高帶寬，但為此，需要50Ω的負載，但這會使電源負載過大，并且我們無法探測超過5 V的電源。通常，測試和測量都會涉及妥協，在某種程度上，每種測量方案都將決定如何平衡這些要求以獲得最有意義的結果。

克服這些挑戰的方法是使用有源示波器探頭，有源電源軌探頭在低頻時具有高阻抗，因此它們不會使電源軌負載過大，而在50Ω示波器輸入終端電阻中引入一個帶有隔直電容的并聯高通濾波器。此外，有源電源軌探頭通常可以承受高達30V的電壓，并且能夠產生大的偏移。我們將在下一部詳細講解專門針對電源測試的有源探頭。

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