引言

數(shù)十年來，電子行業(yè)在摩爾定律的引導下飛速發(fā)展，產(chǎn)品的功能日益強大，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)濟適用的微控制器呈現(xiàn)爆炸式增長，這意味著越來越多的器件（如家用電器、汽車、醫(yī)療設備、可穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)、智能手機、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)品的設計人員也面臨著一項挑戰(zhàn)，即必須為產(chǎn)品中的器件和電路供應“純凈"的電力。為此，業(yè)界投入了大量的時間、人力和設備，專注于設計現(xiàn)代產(chǎn)品中的配電網(wǎng)絡（PDN）。設計人員通常使用實時示波器來測量這些產(chǎn)品中的直流電源。本篇文章介紹了測量和分析直流電源的實用技巧，并討論了如何選擇和評測在直流電源測量中使用的工具。

PDN 和電源完整性

電源完整性（PI）是電子行業(yè)中的一個常用術語，它指的是對系統(tǒng)中的電源如何有效地為負載供應和轉(zhuǎn)換電力進行分析。從電源到負載的無源元件和互連（含半導體封裝）構成配電網(wǎng)絡（PDN），電源輸出的電力通過這個 PDN 供應給負載。電源完整性分析通常包括從直流到數(shù)千兆赫的測量。常見的電源完整性測量有：

 · PARD — 周期和隨機干擾，這個術語在業(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。

 · 負載響應 — 指的是靜態(tài)或瞬態(tài)負載，它主要衡量在預定負載條件下，電源輸出保持在閾值內(nèi)的能力。它通常包括測量電源的瞬態(tài)恢復時間，也就是當負載發(fā)生變化時，電源從瞬態(tài)恢復到預定義的穩(wěn)定頻段內(nèi)所需的時間。

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

問題：

在目前正在設計的后繼幾代產(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)中的時鐘和數(shù)據(jù)抖動的最主要原因。電源到數(shù)字器件的壓降可能會減少經(jīng)過該器件內(nèi)選通電路的傳播時延，從而導致時序裕量減少甚至是比特位失效。為了解決這個問題，電源容限縮小到 5% 甚至更低。

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

降低數(shù)字系統(tǒng)中的信號幅度可加快開關速度，但同時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苛控制電源容限的另一個原因。如果電源的容限以前是10%，現(xiàn)在降低到了5%，那么設計的功耗也可以降低最多5%。

接下來，設計人員面臨的挑戰(zhàn)是測量駐留在直流電源上的更小、更快的交流信號。

直流電源噪聲

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

電源上不可避免會產(chǎn)生熱噪聲，也就是由電子熱擾動所產(chǎn)生的電子噪聲，它會形成簡單的高斯噪聲。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噪聲以及電路中器件的開關電流所引起的噪聲，開關會產(chǎn)生瞬態(tài)電流需求。這種因為開關事件而產(chǎn)生的噪聲在時間上可能是隨機出現(xiàn)的，但是它們往往趨向于與系統(tǒng)中的時鐘保持一致。

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

測量挑戰(zhàn)

由于直流電源噪聲的帶寬很寬，因此在測量這一噪聲時，用戶往往更喜歡使用示波器，因為示波器不僅具有非常寬的帶寬，而且簡單易用，容易獲得。示波器還可以對噪聲的成因提供分析視角，請看下面的例子。

實時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，那么會讓直流電源噪聲測量變得非常麻煩。

動態(tài)范圍是測量直流電源噪聲的另一個挑戰(zhàn)。您關注的電源輸出位于某個直流電平上，而想要測量的電源輸出上的小交流信號（噪聲）遠遠小于這個直流電平。您希望放大交流噪聲，將示波器設置到更靈敏的量程以觀察噪聲的細節(jié)，同時讓示波器繼續(xù)維持較低的噪聲電平（參見右欄的“關于示波器噪聲的小經(jīng)驗"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。

技巧 1. 選擇噪聲低的示波器測量路徑

顯然，如果要測量直流電源上的噪聲，您肯定希望示波器測量系統(tǒng)的噪聲盡量小，以免影響您的測量結果。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。

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

技巧 2. 通過限制帶寬降低測量系統(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。通過將使用的帶寬限制為給定測量所需的帶寬，我們可以減少測量中出現(xiàn)的示波器和探頭噪聲。我們以圖 2 中顯示的測量為例進行說明。在這些測量中，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量。測量結果匯總在表1中。

表 1. 在不同帶寬下得到的指零測量噪聲結果

技巧 3. 使用 1:1 衰減降低測量系統(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 探頭的一個優(yōu)勢是它能讓您測量超過示波器最大輸入的信號。衰減的不利之處在于，衰減比越大，示波器噪聲幅度相對于被測信號幅度就越大。詳細信息請參見右欄的“關于示波器噪聲的小經(jīng)驗"部分。

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

關于示波器噪聲的小經(jīng)驗

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方面。示波器中的輸入放大器和緩沖區(qū)電路會產(chǎn)生一些噪聲，有源探頭的探頭放大器也會產(chǎn)生噪聲。

示波器使用衰減器來改變垂直標度系數(shù)。當信號經(jīng)過衰減后，相對來說示波器的噪聲就變大了。當衰減器設置為大于 1:1（示波器硬件量程）時，噪聲看起來相比示波器輸入端口處的信號成比例放大。例如，在未插入衰減（1:1）時，示波器的基本靈敏度為5mV/格。在這個例子中，我們假設示波器在5 mV/格時的本底噪聲為500 µVrms。如果我們將靈敏度改為50 mV/格，示波器會在輸入端串聯(lián)一個 10:1 的衰減器。此時的噪聲相對輸入來說，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，會發(fā)生同樣的情況。示波器的噪聲看起來相對探頭輸入端的信號成比例放大，放大倍數(shù)等于衰減比例。

技巧 4. 使用探頭偏置增加動態(tài)范圍

探頭偏置是有源探頭的一項功能，它使用戶可以去除被測信號中的直流內(nèi)容。尤其是在直流信號上有較小的交流信號時（比如測量電源噪聲時），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，對 1.5 V 電源上的噪聲進行測量的結果。其中的差異是因為示波器在較大 V/格設置下應用了衰減。

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，這與降低示波器測量系統(tǒng)噪聲的目標相悖。有一些探頭（例如 Keysight N7020A電源探頭）能夠同時提供偏置功能和 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

直流阻斷器是一種專用的大電容，可以插入到信號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中較大的直流分量，以便將示波器設置到更靈敏的量程，這一測量原理與前文中關于使用探頭偏置的原理是一樣的。直流阻斷器的缺點在于它除了阻斷直流內(nèi)容之外，還會阻斷低頻交流內(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5 V 直流電源進行測量的比較。從這個例子中，您可以看到使用直流阻斷器進行的測量會去除低頻電源漂移并可能產(chǎn)生誤導。另外，由于直流信息被阻斷，測量結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。想要獲取這個信息，還需要額外使用數(shù)字萬用表或進行類似的測量。為了說明這一點，圖 6 對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 1.5 V DDR3 電源進行測量的結果。

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