力科示波器基础应用系列之九--- 电源噪声测量

下面将通过实测或理论分析，逐一介绍影响电源噪声测量的几种因素。

示波器的底噪和量化误差
当待测试信号比较微弱时，对示波器的底噪要求更高了，如果示波器的本底噪声接近于待测试信号，就无法保证仪器的测试精度了。HDO4000相比常规的实时示波器，使用了更低噪声的放大器，因此其底噪远低于其他示波器，此外，HDO4000使用了12位的ADC，比常规的8位ADC的示波器有更高的分辨率和更低的量化误差。

另外，测量微弱信号时，为了避免量化误差，尽量使用较小的垂直刻度，比如5mv和2mv，在这种刻度下，某些型号的示波器的偏置电压只能在+/-1V以内调节，无法直接测量高于1V的电源噪声，而HDO4000示波器在5mV 时垂直偏置电压可在+/-4V 内调节，可以满足多种低电压电源的噪声测量。

使用衰减因子大的探头测量小电压
工程师在测量电源噪声时，经常使用有源探头或者无源探头直接探测靠近待测试芯片的电源和地网络，由于常规的无源探头或有源探头的衰减因子为10，和示波器连接后，垂直刻度的最小档位为20mV，在不使用20M 低通滤波器时，示波器和探头的本底噪声峰峰值约为30mV。以DDR2 的1.8V 供电电压为例，如果按5％来算，其允许的电源噪声为90mV，探头的噪声已经接近待测试信号的1/3，所以，用10 倍衰减的探头是无法准确测试1.8V/1.5V 等小电压，需要使用1：1 的无源传输线探头来测量此类低电压电源的噪声。

探头的GND 和信号的距离过大
在电源噪声测试时，探头的GND 和信号两个探测点的距离也非常重要，当两点相距较远时，待测试信号（即电源噪声）的环路较大，由于探测点很靠近高速运行的芯片，近场辐射较大，所以会有很多EMI 噪声辐射到探头的信号回路中（如图4 所示），使得示波器测得的波形包括了其它信号分量，导致错误的测试结果。所以要尽量减小探头的信号与地的探测点间距，减小环路面积。

示波器通道的设置
在电源噪声测试中，还存在示波器通道输入阻抗选择的争议。示波器的通道有DC50/DC1M/AC1M 三个选项可选。一些工程师认为应该使用1M 欧的输入阻抗，另一些认为50 欧的输入阻抗更合适。

在芯片端的电源和地阻抗通常是毫欧级别的，高频的电源噪声从同轴电缆传输到示波器通道后，当示波器输入阻抗是50 欧时，同轴电缆的特性阻抗50 欧与通道的完全匹配，没有反射；而通道输入阻抗为1M欧时，相当于是高阻，根据传输线理论，电源噪声发生反射，这样，导致1M 欧输入阻抗时测试的电源噪声高于50 欧的。在下面的测试中验证了这一观点。

我们使用了某1G 带宽的示波器测量某机顶盒内某芯片的电源噪声，示波器采样率为2.5GS/s，时基为1ms/div，通道带宽为1G，通过ERES 函数限制带宽为625MHz，探头为1 倍衰减的传输线探头，示波器通道分别设为DC1M 和DC50，记录测试数据，图5 为DC50 加上625M 低通滤波器后的电源噪声测试结果，其平均值为21.573mV。表2 为改变通道阻抗和带宽的4 种组合下的电源噪声以及电源电压均值。

可以看到， 通道阻抗为1M欧、带宽为625MHz时，电源噪声为24.1mV；通道阻抗为50欧、带宽为625MHz时，电源噪声为21.573mV；可见，通道阻抗为1M欧时电源噪声测量结果大于DC50的。 所以，测量电源噪声是需要选择DC50，测量电源的直流电压要选更高阻抗的DC1M。

测试电源噪声时，示波器的采样率建议设置为2Gs/s以上以采集到高频段的噪声。时基设置为1ms/div以上以捕获大于10ms的波形。如果捕获的时间长度不够，则会导致测量结果偏差较大。开关电源系统通常是AC-DC-DC的变换过程。AC源于电网电压，是一种源效应，经过闭环控制后仍然很难消除。电网电压的频率是50Hz，整流之后是100HZ。电源纹波测量应完整地包含100HZ的低频周期。

电源噪声测量的解决之道
考虑到以上几种影响噪声测量的因素，HDO4000示波器加上1：1无源传输线探头，通道阻抗设为DC50是目前最好的测量电源噪声方案。HDO4000为12比特分辨率的高清示波器，能提供更高的分辨率，更小的量化误差，更灵活的偏置电压设置、更低的底噪。

如下图6为HDO4000示波器使用1：1无源探头测量某机顶盒的电源噪声测试结果，可以看到，电源电压为1.27V，其电源噪声峰峰值不超过18.22mV，统计后的平均值为16.2575mV。在图5和表格2中，使用普通8位ADC示波器测量相同电源，得到的电源噪声分别为21.573mV和22.371mV，很可能是由于后者的底噪较大引起的。

同时，使用了示波器独特的频谱分析软件，在频域中实时观察电源噪声的主要来源。从图中左侧的列表中可以看到，噪声频谱的第一个峰值频点为332KHz，应该是板上332KHz的开关电源引入的，该