當今大多數電子設計都要求不同的供電電壓才能正確運行。事實上，一塊電路內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及多種技術接口在一起的微處理器設計。

由于許多因素，執行 DC 低噪聲紋波探頭測量正變得越來越困難，比如：

● 功率效率功能，如功率門和動態電壓和頻率定標或DVFS

● 動態負載，擁有快速瞬態信號

● 串擾和耦合提高

● 開關穩壓器，上升時間更快

這就產生了一個重要問題：面對所有這些挑戰，怎樣才能保證系統的每個部分都獲得正確的功率，來滿足其需求?

首先，我們在整體上看一下低噪聲紋波探頭及其部分特點。

非常重要的一點，是要看一下每條 DC 線路，看提供的功率是否位于目標系統或器件的容差頻段內，包括線路的標稱 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，可以進一步細分成寬帶噪聲、周期性事件和瞬態事件 ( 圖 1)。

所有這三個噪聲源都影響著到達器件的功率質量，因此應降低噪聲源，以使目標器件能夠正確運行。

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，并準確地測量噪聲源。但低噪聲紋波探頭測量帶來了許多獨特的測量挑戰，因此必須考慮以下幾項因素：

● 帶寬要求

● 系統噪聲和附加探頭噪聲

● AC 或 DC 輸入耦合的影響

● 低噪聲紋波探頭負載挑戰

帶寬

看一下許多配電設計，測量系統擁有幾十 MHz 帶寬似乎就夠了。大多數開關設計的開關頻率是幾百

kHz，最高的可達幾 MHz。物理設計和器件越大，其運行的供電電壓越高，對噪聲的靈敏度越低。因此，20MHz 以上的噪聲成分幾乎不是問題。

現在，隨著設計尺寸和供電電壓縮小，容差也在縮小。我們在分析配電網絡時，更多地是把它作為傳輸線環境來看待，考察的是交叉耦合、線路阻抗和共振區 ( 圖 2)。

必需注意，電源轉換器件的基礎開關頻率可能相對較慢，但邊沿速度和上升時間一般要快得多，以幫助降低開關損耗。這些邊沿和其他干擾源可能會激發配電網絡，以高得多的頻率產生噪聲和諧波。視目標器件和電路功能，更高階諧波可能會干擾操作。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。

選擇適當的連接進行測量

在評估低噪聲紋波探頭使用的探測解決方案時，必需注意，DUT 連接是實現優質測量時最大的單一推動因素。如果連接能夠為接地提供低電感路徑，且擁有最低有效電容，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接頭和高性能連接器實現。當需要在非預計的測試點上進行重復測試時 ( 圖 4)，微型同軸電纜和軟焊接轉接頭為被測器件提供了半永久連接。在工程師進行設計測試時，小型RF連接器，如泰克低噪聲紋波探頭中提供的 MMCX電纜，為信號提供了可重復的、可靠的接入路徑。這些連接提供了最佳的信號保真度，但它們并不是隨手可得，因為其要求修改目標器件，或在設計系統時規劃測試點。為了更快、更方便地進行探測，可以使用點測探頭和轉接頭。泰克提供了 TPRBRWSR1G，工程師在需要快速接入帶寬高達 1 GHz 的信號時，可以使用這一設備。它帶有小型元件夾和方形引腳轉接頭，幫助工程師更簡便地連接測試點。

必需指出，大多數點測探頭附件一般都會降低系統的額定帶寬。例如，飛線方形引腳轉接頭的有效帶寬通常不會超過幾百 MHz，而在增加夾子和其他輔助連接裝置時則會進一步下降。

在選擇連接方式時，要注意的最后一項是將要進行測試的環境。許多系統驗證工程師需要在極端溫度下測試其設計。專門設計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℃范圍內處理器件測試。

管理測量系統和環境噪聲

獲得基準

隨著供電電壓變得越來越小，由于工藝形狀不斷縮小，必須進行低噪聲測量，以查看 DC 電源上存在的小的方差。此外，許多設計對待功率完整性的態度越來越嚴肅。其帶來的影響之一，是每個電源的容限越來越緊張。為測量這一特點，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量帶來的噪聲也應非常小。測量設備增加的噪聲越小，看到的信號即器件實際行為的信心也就會越高。

對儀器和連接的任何探頭進行基準噪聲測量，可以讓用戶了解整體系統噪聲性能。簡單的測量，比如在沒有應用信號時輸入上存在的電壓的峰峰值和 RMS，可以迅速比較探測系統的附加噪聲 ( 圖 5)。

在低噪聲紋波探頭測量中使用 10x 無源探頭會產生什么問題?

在查看各種信號時，高衰減探頭提供了優秀的動態范圍，但由于衰減，與低衰減探頭相比，其通常會引入更多的測量噪聲 ( 圖 6)。這是因為信號除以衰減系數，推動著它更接近測量系統的噪底。通過計算信噪比(SNR)可以看出來。

例如，如果我們選擇一個 10 mV 的輸入，隨機噪聲指標是 200mV ( 這個指標可以查找示波器產品技術資料上的隨機噪聲，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：

垂直標度設置對噪聲性能的影響

儀器的噪聲性能會隨著垂直靈敏度設置放大而放大，靈敏度范圍越高，噪聲性能越好。使屏幕上顯示的信號達到最大，儀器可以提供更高的分辨率，可以更準確地表示信號。垂直靈敏度范圍越低，信號上呈現的峰值噪聲就會更多地高于實際情況 ( 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，從而進一步降低噪聲。它根據當前采樣率應用獨特的有限脈沖響應 (FIR) 硬件濾波器。這些 FIR 濾波器保持采樣率一定時的最大帶寬，同時抑制假信號。與其他波形平均方式相比，High Res 模式的優勢是可以實時操作，從而可以進行瞬態事件和單次測量。

選擇適當的示波器輸入耦合設置

為什么 DC 偏置是低噪聲紋波探頭測量挑戰?

許多設計擁有大容量供電電壓，會通過各種 DC/DC轉換器濾除獲得各種 IC 和系統要求的供電電壓。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，汽車會把 12 V DC 轉換成不到 1 V 的供電電壓，滿足信息娛樂和人身安全系統中的處理器運行需求 ( 圖 8)。

數據中心中通常會通過 12、24 或 48 V DC 電源為服務器供電，然后再在主板上轉換成其他供電電壓。能夠查看鏈條上從供電輸出到 IC 引腳的每個環節，可以幫助工程師識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，來查看配電網絡中測試的所有軌道。這很難實現，因為許多示波器前端根據選擇的垂直靈敏度來限制提供的偏置。因此伏特 / 格的設置越低，儀器的偏置越小。( 在上一節中，我們說明了選擇正確的垂直靈敏度范圍可能會給測量結果帶來明顯影響。) 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，其消除了信號的 DC 成分，但這也會擋住可能發生的低頻事件，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，因為 AC 耦合隱藏了低頻信息，比如負載變化時的電壓線路衰落或緩降 ( 圖 10)。低噪聲紋波探頭采用專門設計，在示波器 / 探頭系統中增加足夠的偏置范圍，在大多數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、工業和數據中心應用中的大多數常用標準。

某些微處理器和功率管理 IC 采用節電功能，比如動態頻率和電壓標度，其會根據工作負載來改變 DC 供電電壓。使用儀器在 AC 耦合模式下很難分析這些特點，因為儀器沒有顯示低頻信息 ( 圖 11)。

使負載達到最小

探頭阻抗對低噪聲紋波探頭測量有什么影響

在進行功率完整性測量時，探測低噪聲紋波探頭的挑 戰在于選擇的探測方法既要能夠看到 DC 電源上的高頻 AC 成分，又要注意不會給信號的 DC 部分帶來太多負載，以免測量不準確或干擾器件操作。高阻抗探頭為 DC 情況提供了最佳負載，但通常會帶來過多的噪聲，而且沒有必要的帶寬來查看關心的高頻事件，同時還會給信號帶來 DC 耦合。50W 傳輸線為低噪聲紋波探頭上的高頻信號提供了完美的負載，但承擔著DC 信號低阻抗分壓器的職責。

進行低噪聲紋波探頭測量時使用的理想探頭應在 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，并在更高頻率時跳變到 50W。這同時實現了兩大優勢，避免了其他探測方案的局限性。

小結

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作為工程師使用的一項重要工具。泰克TPR4000 和 TPR1000 采用專門設計，解決了查看 DC電源時面臨的獨特的測量和連接挑戰。這些設備與泰克示波器的捕獲和測量功能相結合，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