低噪聲紋波探頭測(cè)量應(yīng)用指南

當(dāng)今大多數(shù)電子設(shè)計(jì)都要求不同的供電電壓才能正確運(yùn)行。事實(shí)上，一塊電路內(nèi)部許多元器件都要求多種電壓，特別是高度集成的片上系統(tǒng)及多種技術(shù)接口在一起的微處理器設(shè)計(jì)。

由于許多因素，執(zhí)行 DC 低噪聲紋波探頭測(cè)量正變得越來越困難，比如：

● 功率效率功能，如功率門和動(dòng)態(tài)電壓和頻率定標(biāo)或DVFS

● 動(dòng)態(tài)負(fù)載，擁有快速瞬態(tài)信號(hào)

● 串?dāng)_和耦合提高

● 開關(guān)穩(wěn)壓器，上升時(shí)間更快

這就產(chǎn)生了一個(gè)重要問題：面對(duì)所有這些挑戰(zhàn)，怎樣才能保證系統(tǒng)的每個(gè)部分都獲得正確的功率，來滿足其需求?

首先，我們?cè)谡w上看一下低噪聲紋波探頭及其部分特點(diǎn)。

非常重要的一點(diǎn)，是要看一下每條 DC 線路，看提供的功率是否位于目標(biāo)系統(tǒng)或器件的容差頻段內(nèi)，包括線路的標(biāo)稱 DC 值，以及存在的任何 AC 噪聲或耦合。AC 噪聲是一種低噪聲紋波探頭信號(hào)，可以進(jìn)一步細(xì)分成寬帶噪聲、周期性事件和瞬態(tài)事件 ( 圖 1)。

所有這三個(gè)噪聲源都影響著到達(dá)器件的功率質(zhì)量，因此應(yīng)降低噪聲源，以使目標(biāo)器件能夠正確運(yùn)行。

在最大限度地降低這些噪聲源之前，您需要能夠看到噪聲源，并準(zhǔn)確地測(cè)量噪聲源。但低噪聲紋波探頭測(cè)量帶來了許多獨(dú)特的測(cè)量挑戰(zhàn)，因此必須考慮以下幾項(xiàng)因素：

● 帶寬要求

● 系統(tǒng)噪聲和附加探頭噪聲

● AC 或 DC 輸入耦合的影響

● 低噪聲紋波探頭負(fù)載挑戰(zhàn)

帶寬

看一下許多配電設(shè)計(jì)，測(cè)量系統(tǒng)擁有幾十 MHz 帶寬似乎就夠了。大多數(shù)開關(guān)設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率是幾百

kHz，最高的可達(dá)幾 MHz。物理設(shè)計(jì)和器件越大，其運(yùn)行的供電電壓越高，對(duì)噪聲的靈敏度越低。因此，20MHz 以上的噪聲成分幾乎不是問題。

現(xiàn)在，隨著設(shè)計(jì)尺寸和供電電壓縮小，容差也在縮小。我們?cè)诜治雠潆娋W(wǎng)絡(luò)時(shí)，更多地是把它作為傳輸線環(huán)境來看待，考察的是交叉耦合、線路阻抗和共振區(qū) ( 圖 2)。

必需注意，電源轉(zhuǎn)換器件的基礎(chǔ)開關(guān)頻率可能相對(duì)較慢，但邊沿速度和上升時(shí)間一般要快得多，以幫助降低開關(guān)損耗。這些邊沿和其他干擾源可能會(huì)激發(fā)配電網(wǎng)絡(luò)，以高得多的頻率產(chǎn)生噪聲和諧波。視目標(biāo)器件和電路功能，更高階諧波可能會(huì)干擾操作。因此，選擇的示波器和探頭必須擁有足夠高的帶寬，以查看這些事件，診斷與高頻干擾有關(guān)的問題。泰克提供 1GHz 和 4 GHz 低噪聲紋波探頭，直接滿足了這一需求。

選擇適當(dāng)?shù)倪B接進(jìn)行測(cè)量

在評(píng)估低噪聲紋波探頭使用的探測(cè)解決方案時(shí)，必需注意，DUT 連接是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)測(cè)量時(shí)最大的單一推動(dòng)因素。如果連接能夠?yàn)榻拥靥峁┑碗姼新窂?，且擁有最低有?a href="http://wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容，那么它不僅可以降低振鈴，還可以提供最高帶寬。這些連接一般通過焊接轉(zhuǎn)接頭和高性能連接器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要在非預(yù)計(jì)的測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行重復(fù)測(cè)試時(shí) ( 圖 4)，微型同軸電纜和軟焊接轉(zhuǎn)接頭為被測(cè)器件提供了半永久連接。在工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)測(cè)試時(shí)，小型RF連接器，如泰克低噪聲紋波探頭中提供的 MMCX電纜，為信號(hào)提供了可重復(fù)的、可靠的接入路徑。這些連接提供了最佳的信號(hào)保真度，但它們并不是隨手可得，因?yàn)槠湟笮薷哪繕?biāo)器件，或在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)規(guī)劃測(cè)試點(diǎn)。為了更快、更方便地進(jìn)行探測(cè)，可以使用點(diǎn)測(cè)探頭和轉(zhuǎn)接頭。泰克提供了 TPRBRWSR1G，工程師在需要快速接入帶寬高達(dá) 1 GHz 的信號(hào)時(shí)，可以使用這一設(shè)備。它帶有小型元件夾和方形引腳轉(zhuǎn)接頭，幫助工程師更簡(jiǎn)便地連接測(cè)試點(diǎn)。

必需指出，大多數(shù)點(diǎn)測(cè)探頭附件一般都會(huì)降低系統(tǒng)的額定帶寬。例如，飛線方形引腳轉(zhuǎn)接頭的有效帶寬通常不會(huì)超過幾百 MHz，而在增加夾子和其他輔助連接裝置時(shí)則會(huì)進(jìn)一步下降。

在選擇連接方式時(shí)，要注意的最后一項(xiàng)是將要進(jìn)行測(cè)試的環(huán)境。許多系統(tǒng)驗(yàn)證工程師需要在極端溫度下測(cè)試其設(shè)計(jì)。專門設(shè)計(jì)的極端溫度電纜和焊接尖端，比如 TPR4KITHT 自帶的電纜和尖端，可以在 -55℃到+155℃范圍內(nèi)處理器件測(cè)試。

管理測(cè)量系統(tǒng)和環(huán)境噪聲

獲得基準(zhǔn)

隨著供電電壓變得越來越小，由于工藝形狀不斷縮小，必須進(jìn)行低噪聲測(cè)量，以查看 DC 電源上存在的小的方差。此外，許多設(shè)計(jì)對(duì)待功率完整性的態(tài)度越來越嚴(yán)肅。其帶來的影響之一，是每個(gè)電源的容限越來越緊張。為測(cè)量這一特點(diǎn)，示波器不僅要有超低噪聲，以查看這些事件，而且連接到示波器上的任何探頭給測(cè)量帶來的噪聲也應(yīng)非常小。測(cè)量設(shè)備增加的噪聲越小，看到的信號(hào)即器件實(shí)際行為的信心也就會(huì)越高。

對(duì)儀器和連接的任何探頭進(jìn)行基準(zhǔn)噪聲測(cè)量，可以讓用戶了解整體系統(tǒng)噪聲性能。簡(jiǎn)單的測(cè)量，比如在沒有應(yīng)用信號(hào)時(shí)輸入上存在的電壓的峰峰值和 RMS，可以迅速比較探測(cè)系統(tǒng)的附加噪聲 ( 圖 5)。

在低噪聲紋波探頭測(cè)量中使用 10x 無源探頭會(huì)產(chǎn)生什么問題?

在查看各種信號(hào)時(shí)，高衰減探頭提供了優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)范圍，但由于衰減，與低衰減探頭相比，其通常會(huì)引入更多的測(cè)量噪聲 ( 圖 6)。這是因?yàn)樾盘?hào)除以衰減系數(shù)，推動(dòng)著它更接近測(cè)量系統(tǒng)的噪底。通過計(jì)算信噪比(SNR)可以看出來。

例如，如果我們選擇一個(gè) 10 mV 的輸入，隨機(jī)噪聲指標(biāo)是 200mV ( 這個(gè)指標(biāo)可以查找示波器產(chǎn)品技術(shù)資料上的隨機(jī)噪聲，一般用 Vrms 作為單位表示 )，那么10x 探頭的 SNR 是：

低衰減 1.25x 探頭的 SNR 則是：

垂直標(biāo)度設(shè)置對(duì)噪聲性能的影響

儀器的噪聲性能會(huì)隨著垂直靈敏度設(shè)置放大而放大，靈敏度范圍越高，噪聲性能越好。使屏幕上顯示的信號(hào)達(dá)到最大，儀器可以提供更高的分辨率，可以更準(zhǔn)確地表示信號(hào)。垂直靈敏度范圍越低，信號(hào)上呈現(xiàn)的峰值噪聲就會(huì)更多地高于實(shí)際情況 ( 圖 7)。

其他降噪方法

泰克 4、5 和 6 系列 MSO 上的 High Res 等功能允許用戶使用額外采樣率，來生成分辨率更高的樣點(diǎn)，從而進(jìn)一步降低噪聲。它根據(jù)當(dāng)前采樣率應(yīng)用獨(dú)特的有限脈沖響應(yīng) (FIR) 硬件濾波器。這些 FIR 濾波器保持采樣率一定時(shí)的最大帶寬，同時(shí)抑制假信號(hào)。與其他波形平均方式相比，High Res 模式的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)時(shí)操作，從而可以進(jìn)行瞬態(tài)事件和單次測(cè)量。

選擇適當(dāng)?shù)氖静ㄆ鬏斎腭詈显O(shè)置

為什么 DC 偏置是低噪聲紋波探頭測(cè)量挑戰(zhàn)?

許多設(shè)計(jì)擁有大容量供電電壓，會(huì)通過各種 DC/DC轉(zhuǎn)換器濾除獲得各種 IC 和系統(tǒng)要求的供電電壓。一 般來說，大容量供電電壓要比 IC 需要的電壓高出很多倍。例如，汽車會(huì)把 12 V DC 轉(zhuǎn)換成不到 1 V 的供電電壓，滿足信息娛樂和人身安全系統(tǒng)中的處理器運(yùn)行需求 ( 圖 8)。

數(shù)據(jù)中心中通常會(huì)通過 12、24 或 48 V DC 電源為服務(wù)器供電，然后再在主板上轉(zhuǎn)換成其他供電電壓。能夠查看鏈條上從供電輸出到 IC 引腳的每個(gè)環(huán)節(jié)，可以幫助工程師識(shí)別從其他電壓域傳遞過來的噪聲 ( 圖 9)。

正因如此，選擇的探頭必需提供足夠的偏置，來查看配電網(wǎng)絡(luò)中測(cè)試的所有軌道。這很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵S多示波器前端根據(jù)選擇的垂直靈敏度來限制提供的偏置。因此伏特 / 格的設(shè)置越低，儀器的偏置越小。( 在上一節(jié)中，我們說明了選擇正確的垂直靈敏度范圍可能會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來明顯影響。) 高衰減探頭通常擁有更多的偏置功能，但如前所示，其擁有的噪聲一般要高于低衰減探頭。

使用示波器 AC 耦合可以避免處理 DC 偏置，其消除了信號(hào)的 DC 成分，但這也會(huì)擋住可能發(fā)生的低頻事件，比如電壓衰落。

使用 DC 耦合模式查看低頻事件

如果能夠在輸入信號(hào)中增加足夠的 DC 偏置，那么DC 耦合可以更完整地查看器件特點(diǎn)，因?yàn)?AC 耦合隱藏了低頻信息，比如負(fù)載變化時(shí)的電壓線路衰落或緩降 ( 圖 10)。低噪聲紋波探頭采用專門設(shè)計(jì)，在示波器 / 探頭系統(tǒng)中增加足夠的偏置范圍，在大多數(shù)低噪聲紋波探頭上支持 DC 耦合。TPR4000 和 TPR1000擁有 +/- 60V 的 DC 偏置，覆蓋了汽車、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的大多數(shù)常用標(biāo)準(zhǔn)。

某些微處理器和功率管理 IC 采用節(jié)電功能，比如動(dòng)態(tài)頻率和電壓標(biāo)度，其會(huì)根據(jù)工作負(fù)載來改變 DC 供電電壓。使用儀器在 AC 耦合模式下很難分析這些特點(diǎn)，因?yàn)閮x器沒有顯示低頻信息 ( 圖 11)。

使負(fù)載達(dá)到最小

探頭阻抗對(duì)低噪聲紋波探頭測(cè)量有什么影響

在進(jìn)行功率完整性測(cè)量時(shí)，探測(cè)低噪聲紋波探頭的挑 戰(zhàn)在于選擇的探測(cè)方法既要能夠看到 DC 電源上的高頻 AC 成分，又要注意不會(huì)給信號(hào)的 DC 部分帶來太多負(fù)載，以免測(cè)量不準(zhǔn)確或干擾器件操作。高阻抗探頭為 DC 情況提供了最佳負(fù)載，但通常會(huì)帶來過多的噪聲，而且沒有必要的帶寬來查看關(guān)心的高頻事件，同時(shí)還會(huì)給信號(hào)帶來 DC 耦合。50W 傳輸線為低噪聲紋波探頭上的高頻信號(hào)提供了完美的負(fù)載，但承擔(dān)著DC 信號(hào)低阻抗分壓器的職責(zé)。

進(jìn)行低噪聲紋波探頭測(cè)量時(shí)使用的理想探頭應(yīng)在 DC中提供非常高的電阻，在 AC 中提供 50W 傳輸線。泰克 TPR4000 和 TPR1000 低噪聲紋波探頭提供了 50kW 高 DC 阻抗，并在更高頻率時(shí)跳變到 50W。這同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩大優(yōu)勢(shì)，避免了其他探測(cè)方案的局限性。

小結(jié)

隨著功率完整性需求不斷提高，低噪聲紋波探頭分析將繼續(xù)作為工程師使用的一項(xiàng)重要工具。泰克TPR4000 和 TPR1000 采用專門設(shè)計(jì)，解決了查看 DC電源時(shí)面臨的獨(dú)特的測(cè)量和連接挑戰(zhàn)。這些設(shè)備與泰克示波器的捕獲和測(cè)量功能相結(jié)合，為工程師提供了完美的低噪聲紋波探頭分析工具。

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審核編輯 黃宇