引言

數(shù)十年來，電子行業(yè)在摩爾定律的引導(dǎo)下飛速發(fā)展，產(chǎn)品的功能日益強(qiáng)大，特性日益豐富，讓我們所有人都可以享受到更加現(xiàn)代化的生活。經(jīng)濟(jì)適用的微控制器呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，這意味著越來越多的器件（如家用電器、汽車、醫(yī)療設(shè)備、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)、云）在微控制器的控制下工作，提供更優(yōu)異的性能和更多樣化的特性。但是這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員也面臨著一項(xiàng)挑戰(zhàn)，即必須為產(chǎn)品中的器件和電路供應(yīng)“純凈"的電力。為此，業(yè)界投入了大量的時(shí)間、人力和設(shè)備，專注于設(shè)計(jì)現(xiàn)代產(chǎn)品中的配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）。設(shè)計(jì)人員通常使用實(shí)時(shí)示波器來測(cè)量這些產(chǎn)品中的直流電源。本篇文章介紹了測(cè)量和分析直流電源的實(shí)用技巧，并討論了如何選擇和評(píng)測(cè)在直流電源測(cè)量中使用的工具。

PDN 和電源完整性

電源完整性（PI）是電子行業(yè)中的一個(gè)常用術(shù)語，它指的是對(duì)系統(tǒng)中的電源如何有效地為負(fù)載供應(yīng)和轉(zhuǎn)換電力進(jìn)行分析。從電源到負(fù)載的無源元件和互連（含半導(dǎo)體封裝）構(gòu)成配電網(wǎng)絡(luò)（PDN），電源輸出的電力通過這個(gè) PDN 供應(yīng)給負(fù)載。電源完整性分析通常包括從直流到數(shù)千兆赫的測(cè)量。常見的電源完整性測(cè)量有：

 · PARD — 周期和隨機(jī)干擾，這個(gè)術(shù)語在業(yè)內(nèi)廣泛使用，它的定義為在所有其他參數(shù)保持不變的情況下，直流輸出與其平均值的偏差。它衡量的是直流輸出經(jīng)過調(diào)理和濾波電路之后仍然殘留的多余交流和噪聲分量，用有效值（RMS）或峰峰值表示。在20Hz至20MHz的帶寬范圍內(nèi)，峰峰值測(cè)量更常用。在20Hz以下發(fā)生的類似PARD的變化通常稱為漂移。

 · 負(fù)載響應(yīng) — 指的是靜態(tài)或瞬態(tài)負(fù)載，它主要衡量在預(yù)定負(fù)載條件下，電源輸出保持在閾值內(nèi)的能力。它通常包括測(cè)量電源的瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間，也就是當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電源從瞬態(tài)恢復(fù)到預(yù)定義的穩(wěn)定頻段內(nèi)所需的時(shí)間。

 · 噪聲 — 指直流電源與其標(biāo)稱值的偏差。噪聲可能包括隨機(jī)噪聲（如熱噪聲）和雜散信號(hào)（如相鄰電路的開關(guān)耦合或 PARD 和負(fù)載響應(yīng)）。

問題：

在目前正在設(shè)計(jì)的后繼幾代產(chǎn)品中，元器件密度和速度越來越高，而“純凈"電力的重要程度也隨之升高。直流電源偏差可能是造成數(shù)字系統(tǒng)中的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)的最主要原因。電源到數(shù)字器件的壓降可能會(huì)減少經(jīng)過該器件內(nèi)選通電路的傳播時(shí)延，從而導(dǎo)致時(shí)序裕量減少甚至是比特位失效。為了解決這個(gè)問題，電源容限縮小到 5% 甚至更低。

由于數(shù)字器件的開關(guān)速度和轉(zhuǎn)換速率大幅升高，所以開關(guān)噪聲進(jìn)入電源的可能性也隨之增加。這種噪聲會(huì)出現(xiàn)在開關(guān)電流的帶寬上，并且很容易就超過1 GHz。

降低數(shù)字系統(tǒng)中的信號(hào)幅度可加快開關(guān)速度，但同時(shí)也要求降低電源的噪聲裕量。

提高效率或降低功耗是要求更嚴(yán)苛控制電源容限的另一個(gè)原因。如果電源的容限以前是10%，現(xiàn)在降低到了5%，那么設(shè)計(jì)的功耗也可以降低最多5%。

接下來，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是測(cè)量駐留在直流電源上的更小、更快的交流信號(hào)。

直流電源噪聲

在理想情況下，直流電源不會(huì)產(chǎn)生任何噪聲。那么噪聲是從何而來的呢？

電源上不可避免會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，也就是由電子熱擾動(dòng)所產(chǎn)生的電子噪聲，它會(huì)形成簡(jiǎn)單的高斯噪聲。高斯噪聲通常不是最大的噪聲來源。

直流電源上噪聲的主要來源是電源本身的開關(guān)噪聲以及電路中器件的開關(guān)電流所引起的噪聲，開關(guān)會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流需求。這種因?yàn)殚_關(guān)事件而產(chǎn)生的噪聲在時(shí)間上可能是隨機(jī)出現(xiàn)的，但是它們往往趨向于與系統(tǒng)中的時(shí)鐘保持一致。

我們可以將直流電源上的噪聲視為電源開關(guān)噪聲和開關(guān)電流噪聲等“信號(hào)"的組合，并且它們是疊加在直流電源上的，這樣測(cè)量和分析起來更加容易。

測(cè)量挑戰(zhàn)

由于直流電源噪聲的帶寬很寬，因此在測(cè)量這一噪聲時(shí)，用戶往往更喜歡使用示波器，因?yàn)槭静ㄆ鞑粌H具有非常寬的帶寬，而且簡(jiǎn)單易用，容易獲得。示波器還可以對(duì)噪聲的成因提供分析視角，請(qǐng)看下面的例子。

實(shí)時(shí)寬帶示波器和它們配備的探頭都有一定的本底噪聲。如果示波器和探頭的噪聲幅度與直流電源的噪聲相似，那么會(huì)讓直流電源噪聲測(cè)量變得非常麻煩。

動(dòng)態(tài)范圍是測(cè)量直流電源噪聲的另一個(gè)挑戰(zhàn)。您關(guān)注的電源輸出位于某個(gè)直流電平上，而想要測(cè)量的電源輸出上的小交流信號(hào)（噪聲）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)直流電平。您希望放大交流噪聲，將示波器設(shè)置到更靈敏的量程以觀察噪聲的細(xì)節(jié)，同時(shí)讓示波器繼續(xù)維持較低的噪聲電平（參見右欄的“關(guān)于示波器噪聲的小經(jīng)驗(yàn)"部分）。取決于所使用的示波器和探頭，您可能無法做到這一點(diǎn)。

技巧 1. 選擇噪聲低的示波器測(cè)量路徑

顯然，如果要測(cè)量直流電源上的噪聲，您肯定希望示波器測(cè)量系統(tǒng)的噪聲盡量小，以免影響您的測(cè)量結(jié)果。遺憾的是，許多用戶正是在這里感到迷茫，他們不知道可能有更好的選擇。示波器測(cè)量路徑由所使用的示波器和示波器輸入端子（50 Ω 或 1 MΩ）組成。

對(duì)于許多示波器而言，50 Ω 輸入路徑的噪聲比 1 MΩ 路徑低。下面的圖1顯示Keysight DSOS054A 高清示波器（500 MHz，4 通道）的 50 Ω 輸入和 1 MΩ 輸入的基線噪聲。

這種類型的測(cè)量通常稱為指零測(cè)量，是確定示波器測(cè)量系統(tǒng)基線噪聲的一種測(cè)量。這是一種合理性校驗(yàn)，類似于在進(jìn)行導(dǎo)通或電阻測(cè)量之前先將數(shù)字萬用表上的引線短接一下的做法。您最好對(duì)整個(gè)示波器測(cè)量系統(tǒng)（包括探頭）執(zhí)行一次指零測(cè)量，這樣可以確保示波器和探頭適合用于您要執(zhí)行的電源噪聲測(cè)量。要進(jìn)行指零測(cè)量的話，只需像進(jìn)行電源噪聲測(cè)量一樣對(duì)示波器和探頭進(jìn)行配置，然后將輸入端短接到地（或在差分探頭上短接一下輸入），即可開始測(cè)量噪聲。

技巧 2. 通過限制帶寬降低測(cè)量系統(tǒng)的噪聲

帶寬是不是越高越好？不一定。示波器和探頭的噪聲電壓與頻率有關(guān)。通過將使用的帶寬限制為給定測(cè)量所需的帶寬，我們可以減少測(cè)量中出現(xiàn)的示波器和探頭噪聲。我們以圖 2 中顯示的測(cè)量為例進(jìn)行說明。在這些測(cè)量中，我們使用了Keysight MSOS804A 示波器（8 GHz，10位ADC，20 GSa/s）和N7020A 電源探頭（2GHz，1:1衰減）來執(zhí)行前面提到的指零測(cè)量。測(cè)量結(jié)果匯總在表1中。

表 1. 在不同帶寬下得到的指零測(cè)量噪聲結(jié)果

技巧 3. 使用 1:1 衰減降低測(cè)量系統(tǒng)的噪聲

示波器探頭具有不同的衰減比。您可能最熟悉 10:1 無源探頭。使用 10:1 探頭的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它能讓您測(cè)量超過示波器最大輸入的信號(hào)。衰減的不利之處在于，衰減比越大，示波器噪聲幅度相對(duì)于被測(cè)信號(hào)幅度就越大。詳細(xì)信息請(qǐng)參見右欄的“關(guān)于示波器噪聲的小經(jīng)驗(yàn)"部分。

我們以圖 3 中所示的測(cè)量結(jié)果為例進(jìn)行說明。使用 10:1 探頭和 1:1 探頭分別測(cè)量同一個(gè)信號(hào)，即 20 MHz 50 mV p-p 正弦波信號(hào)。兩次測(cè)量的區(qū)別是衰減比不同。1:1 探頭測(cè)得的值為 52 mV p-p，而10:1 探頭測(cè)得的值為 65 mV p-p。較高的衰減比使得信噪比降低，所以測(cè)量值超過實(shí)際值至少 25%。由此可以看出，在測(cè)量小信號(hào)時(shí)，示波器和探頭噪聲可能對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，此時(shí)最好使用盡量小的衰減比。

關(guān)于示波器噪聲的小經(jīng)驗(yàn)

參見下面的方框圖。示波器和探頭系統(tǒng)中的噪聲主要來自兩個(gè)方面。示波器中的輸入放大器和緩沖區(qū)電路會(huì)產(chǎn)生一些噪聲，有源探頭的探頭放大器也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

示波器使用衰減器來改變垂直標(biāo)度系數(shù)。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過衰減后，相對(duì)來說示波器的噪聲就變大了。當(dāng)衰減器設(shè)置為大于 1:1（示波器硬件量程）時(shí)，噪聲看起來相比示波器輸入端口處的信號(hào)成比例放大。例如，在未插入衰減（1:1）時(shí)，示波器的基本靈敏度為5mV/格。在這個(gè)例子中，我們假設(shè)示波器在5 mV/格時(shí)的本底噪聲為500 µVrms。如果我們將靈敏度改為50 mV/格，示波器會(huì)在輸入端串聯(lián)一個(gè) 10:1 的衰減器。此時(shí)的噪聲相對(duì)輸入來說，就像是5 mVrms一樣（500 μV*10）。如果將配有衰減器的探頭連接到示波器，會(huì)發(fā)生同樣的情況。示波器的噪聲看起來相對(duì)探頭輸入端的信號(hào)成比例放大，放大倍數(shù)等于衰減比例。

技巧 4. 使用探頭偏置增加動(dòng)態(tài)范圍

探頭偏置是有源探頭的一項(xiàng)功能，它使用戶可以去除被測(cè)信號(hào)中的直流內(nèi)容。尤其是在直流信號(hào)上有較小的交流信號(hào)時(shí)（比如測(cè)量電源噪聲時(shí)），探頭偏置更加重要。圖 4 顯示了分別使用和不使用探頭偏置時(shí)，對(duì) 1.5 V 電源上的噪聲進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。其中的差異是因?yàn)槭静ㄆ髟谳^大 V/格設(shè)置下應(yīng)用了衰減。

注：提供偏置的大多數(shù)有源探頭也具有超過 1:1 的衰減比，這與降低示波器測(cè)量系統(tǒng)噪聲的目標(biāo)相悖。有一些探頭（例如 Keysight N7020A電源探頭）能夠同時(shí)提供偏置功能和 1:1 衰減比。N7020A的偏置范圍為 ±24 V。

技巧 5. 了解直流阻斷器的缺點(diǎn)

直流阻斷器是一種專用的大電容，可以插入到信號(hào)與示波器輸入端之間。直流阻斷器的用途是阻斷或去除信號(hào)中較大的直流分量，以便將示波器設(shè)置到更靈敏的量程，這一測(cè)量原理與前文中關(guān)于使用探頭偏置的原理是一樣的。直流阻斷器的缺點(diǎn)在于它除了阻斷直流內(nèi)容之外，還會(huì)阻斷低頻交流內(nèi)容，例如漂移或電源壓縮。圖 5 顯示了分別使用直流阻斷器和具有探頭偏置功能的N7020A 電源探頭對(duì)5 V 直流電源進(jìn)行測(cè)量的比較。從這個(gè)例子中，您可以看到使用直流阻斷器進(jìn)行的測(cè)量會(huì)去除低頻電源漂移并可能產(chǎn)生誤導(dǎo)。另外，由于直流信息被阻斷，測(cè)量結(jié)果中沒有包括這一信息，因此無法通過示波器確定存在電源噪聲的直流值。想要獲取這個(gè)信息，還需要額外使用數(shù)字萬用表或進(jìn)行類似的測(cè)量。為了說明這一點(diǎn)，圖 6 對(duì)比了分別使用直流阻斷器和具有偏置功能的 N7020A 電源探頭對(duì) 1.5 V DDR3 電源進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。

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