在探測(cè)嵌入式系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）時(shí)，有許多要注意的事項(xiàng)，通常要測(cè)試的信號(hào)是浮在大電壓上的很小信號(hào)，必須很好地理解和管理測(cè)量系統(tǒng)的噪聲。信號(hào)路徑中的阻抗不匹配會(huì)引起高頻成分的反射，某些探測(cè)方式可能無(wú)法提供足夠的偏置范圍以匹配大的DC電壓，帶寬限制會(huì)無(wú)法捕獲和表征高頻噪聲。而且，由于PDN的直流阻抗通常低至1Ω甚至更低，因此低阻抗探測(cè)方式可能會(huì)在DUT上施加過大的負(fù)載。在本文，我們將討論使用特勵(lì)達(dá)力科12位高清示波器的各種電源噪聲探測(cè)方式，以及如何選擇更好的測(cè)試方式。

電源噪聲探測(cè)方式概述

一般而言，使用高精度示波器測(cè)試電源噪聲有五種方式（表1）：

表1 五種電源噪聲探測(cè)方式

第一種方式：無(wú)源探頭

與大多數(shù)示波器一樣，特勵(lì)達(dá)力科所有12位示波器都標(biāo)配有一組10MΩ無(wú)源探頭，這種探頭的帶寬通常為500 MHz，連接到1MΩ耦合示波器輸入時(shí)，探頭的高阻抗可提供良好的直流負(fù)載特性。

10MΩ無(wú)源探頭必須考慮接地，使用典型的3英寸接地導(dǎo)線會(huì)導(dǎo)致很高的RF干擾以及高電感和信號(hào)振鈴，通常最好使用較短的彈簧型接地線。它具有較小的“天線”效應(yīng)，因此具有較少的RF拾取以及較短的電感環(huán)路，可減少振鈴。

圖1：10MΩ無(wú)源探頭的10:1衰減導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法利用示波器的整個(gè)ADC動(dòng)態(tài)范圍

10MΩ無(wú)源探頭具有10:1的衰減，這意味著信號(hào)衰減了10倍，但測(cè)量系統(tǒng)中的噪聲不受影響---因此，SNR比1:1探頭或直接連接低了20 dB。從圖1可以看出，由于10:1衰減，信號(hào)顯示為80 mV滿量程，在這種情況下，靈敏度限制為10 mV / div或更高。

注意：為了比較所有五種方式的噪聲性能，我們將每種方法都應(yīng)用到相同的900mV電源軌，為了公平比較，所有信號(hào)的帶寬都限制在500 MHz以內(nèi)，并在所需的偏置下，調(diào)整垂直靈敏度，以使SNR最大，在每個(gè)示例中，下方的波形為5 mV / div的放大。

第二種方式：同軸線纜+1M歐姆耦合

使用高精度示波器測(cè)試電源軌的第二種方式是同軸線纜連接到示波器的1MΩ輸入，無(wú)論是設(shè)計(jì)到DUT中還是通過焊接連接，與DUT的同軸連接的主要優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：連接的高帶寬和較小的接地環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)低RF拾取。

圖2描繪了使用同軸線纜與示波器的1-MΩ輸入連接測(cè)量900 mV電源軌的結(jié)果，在沒有衰減的情況下，這種方法可實(shí)現(xiàn)高SNR，但從50Ω同軸電纜到1MΩ輸入的阻抗不連續(xù)會(huì)引起反射。特勵(lì)達(dá)力科的HD4096示波器具有高偏置能力，這意味著能夠充分偏置輸入，以匹配900 mV的電源軌，同時(shí)保持最大的垂直靈敏度。

圖2：與示波器1MΩ輸入的同軸線纜連接消除了衰減，但阻抗不連續(xù)會(huì)引起反射

第三種方式：同軸線纜+50歐姆耦合

第三種方式是使用同軸線纜與示波器的50Ω連接，與前面方法不同之處在于它提供了更高的帶寬。但是，它提供的低偏置范圍對(duì)于某些示波器可能是個(gè)問題。當(dāng)50Ω示波器輸入加載到具有極低阻抗（遠(yuǎn)小于1Ω）電源軌時(shí)，也可能存在負(fù)載問題。

通過同軸連接到示波器的50Ω輸入來(lái)測(cè)量900 mV電源軌，還可以實(shí)現(xiàn)較高的SNR，而特勵(lì)達(dá)力科的HD4096高精度示波器具有足夠的偏置能力，可以偏置示波器的輸入而不會(huì)產(chǎn)生不利的靈敏度影響（圖3）。

圖3：與示波器的50-Ω輸入端的同軸連接可改善帶寬，但對(duì)極低阻抗的電源軌可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)載問題

因?yàn)樵撾娫窜壘哂懈咦杩梗?0-Ω負(fù)載不是問題， 但是，如果它的阻抗很低，那么負(fù)載可能是一個(gè)重大問題。

第四種方式：10:1同軸探頭

探測(cè)方式4是10:1同軸探頭，可以使用同軸電纜和450Ω電阻自制，也可以購(gòu)買， 當(dāng)與示波器的50Ω耦合輸入連接時(shí)，10:1同軸探頭會(huì)以10:1的比例將輸入信號(hào)衰減。有效帶寬可能非常高，這取決于與DUT的連接質(zhì)量。但是，10:1同軸探頭與10MΩ無(wú)源探頭具有相同的20dB噪聲損失（圖4），根據(jù)PDN自身阻抗，可能可以承受450 歐姆的負(fù)載。

圖4：10:1同軸探頭衰減輸入信號(hào)，并與10-M無(wú)源探頭有相同的信噪比

第五種方式：電源完整性探頭

最后，第五種選擇是電源軌探頭，專門用于探測(cè)電源軌（如特勵(lì)達(dá)力科RP4060有源電源軌探頭），該探頭提供4 GHz的高帶寬，低噪聲，僅1.2倍的衰減以及±30 V DC的高偏置能力。

當(dāng)使用RP4060電源軌探頭測(cè)量900 mV電源軌時(shí)，探頭的1:1衰減實(shí)現(xiàn)了更低的噪聲，而高達(dá)30 V的大DC偏置范圍則足以勝任當(dāng)前的工作（圖5）, 它還在DC上呈現(xiàn)50kΩ的負(fù)載，這意味著不會(huì)從低阻抗電源軌上汲取大量電流。

圖5：專門為探測(cè)電源軌而設(shè)計(jì)的RP4060電壓軌探頭具有低噪聲，大DC偏置范圍，并且不會(huì)從低阻抗電源軌汲取電流

偏置和靈敏度對(duì)比：3.3V電源軌

如圖六所示，為使用同軸線纜測(cè)量3.3V電源軌，測(cè)量3.3V電源軌需要3.3V的偏置，在需要高帶寬測(cè)量時(shí)，與示波器的50-Ω輸入連接的同軸線纜只能在低靈敏度設(shè)置下實(shí)現(xiàn)此偏置，這會(huì)降低SNR。

圖6使用同軸線纜測(cè)試3.3V電源軌

但是，電源軌探頭可以在非常大的偏置下實(shí)現(xiàn)全靈敏度，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的SNR和更精確的測(cè)量（圖7），在40 mV pk-pk的滿量程輸入范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量意味著可以應(yīng)用更多的ADC分辨率來(lái)數(shù)字化信號(hào)，這可以改善SNR。

圖7與圖6相比，RP4060電源軌探頭在很高的偏置下實(shí)現(xiàn)了更高靈敏度，在數(shù)字化輸入信號(hào)時(shí)采用了更高的ADC分辨率

帶寬對(duì)比：帶有很多噪聲的3.3V電源軌

為了比較五種電源軌探測(cè)方式的帶寬，我們用一個(gè)4 GHz示波器來(lái)測(cè)量帶有大量高頻時(shí)鐘信號(hào)噪聲的3.3 V電源軌，同時(shí)，調(diào)整偏置和垂直靈敏度以使SNR最大化。

由于帶寬限制為500 MHz，10MΩ無(wú)源探頭無(wú)法捕獲信號(hào)的所有高頻成分（圖8，左上方），同樣的，與示波器的1MΩ耦合輸入連接的同軸線纜具有超過1 GHz的帶寬，但仍不足以覆蓋時(shí)鐘噪聲信號(hào)的全部頻譜（圖8，右上）。

使用同軸電纜連接到示波器的50Ω輸入，其帶寬要好一些，因?yàn)樗哂? GHz帶寬：足以捕獲噪聲信號(hào)的整個(gè)頻譜。但是，為了在這種耦合和帶寬條件下獲得足夠的偏置，垂直靈敏度會(huì)受到限制（圖8，中左）。

圖8五種測(cè)量方式帶寬的對(duì)比

就其本身而言，10:1同軸探頭具有4 GHz的帶寬，可進(jìn)行全頻譜采集，但是探頭的10:1衰減會(huì)導(dǎo)致SNR降低20 dB（圖8，中右）。

當(dāng)使用RP4060電源軌探頭測(cè)量嘈雜的3.3V電源軌時(shí)，該探頭不僅具有足夠的帶寬來(lái)進(jìn)行全頻譜捕獲，而且還沒有衰減，并具有非常高的偏置范圍（圖8，底部）。在10:1同軸探頭和RP4060探頭（圖9）的疊加比較中，請(qǐng)注意前者和后者之間的本底噪聲差異。

圖9：與RP4060電源軌探頭和10:1同軸探頭相比，可以明顯觀察到兩個(gè)探頭之間的本底噪聲差異

總結(jié)

示波器和探頭是影響電源軌噪聲測(cè)量的主要因素，以上介紹了使用特勵(lì)達(dá)力科12位高精度示波器探測(cè)電源軌的各種方式各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。有些方式（例如10MΩ無(wú)源探頭）對(duì)電源軌的負(fù)載很小，但帶寬有限。如果電源軌阻抗很低，但帶寬卻很高，有些方式（例如與示波器的50歐姆輸入端同軸連接）在負(fù)載方面就存在問題。RP4060電壓軌探頭是個(gè)例外，它是專為電源軌探測(cè)而設(shè)計(jì)的，旨在消除這些折衷，配合特勵(lì)達(dá)力科低噪聲12bit示波器使用，可以準(zhǔn)確測(cè)量電源軌噪聲。

審核編輯：劉清