用示波器測量電源噪聲的方法(1)

引言

如今的電子設(shè)計越來越趨向與切換速度加快，封裝上會有更多的引腳，信號幅度更小。因此設(shè)計人員在從手機(jī)到服務(wù)器等新的數(shù)字電路設(shè)計中會更注意電源噪聲。實(shí)時示波器通常用來測量電源噪聲。本文將講述分析電源噪聲的技術(shù)，評估電源噪聲測試的工具。

面臨的問題

由于切換速度和信號轉(zhuǎn)換速率增加，設(shè)備上需要切換的引腳數(shù)目越來越多，電源中引入了更多的切換噪聲。同時，電路也變得越來越受電源噪聲影響。減少單位間隔意味著減少時間裕量。減小信號幅度會轉(zhuǎn)為減少噪聲裕量。對所有工程上會遇到的問題，理解問題并精確的測量數(shù)據(jù)才能解決問題。

對“噪聲”的理解

在理想的情況下，電源是不會有噪聲的，那么電源噪聲是怎么產(chǎn)生的呢？

除了由于熱過程不可避免引起的高斯噪聲（通常這不是噪聲的主要部分）之外，所有的電源噪聲都會有一到兩個源。開關(guān)電源會造成不希望的噪聲，這些噪聲通常會在開關(guān)切換頻率的諧波或者和切換頻率一致。當(dāng)門電路和輸出引腳驅(qū)動開關(guān)時，會要從電源上得到電流。這是大多數(shù)數(shù)字電路中的噪聲源。這些切換雖然會隨機(jī)的發(fā)生，但是會趨向于和系統(tǒng)時鐘一致。當(dāng)我們把這些看出是疊加在電源上的“信號”而不是“噪聲”的時候，分析就會變得簡單有效。

測量的挑戰(zhàn)

由于電源噪聲帶寬很大，設(shè)計師更傾向于用示波器來測量電源噪聲。我們會在后面講述示波器對噪聲原因分析的獨(dú)特作用。

實(shí)時高帶寬數(shù)字示波器和高帶寬探頭自身也有噪聲，這個必須要考慮。如果你要測量的電源噪聲和示波器以及探頭的噪底是在一個數(shù)量級上的話，你的測量的精確度就會有問題了。本文就要討論關(guān)于示波器噪底的更多信息。

另外一個問題是動態(tài)范圍。電源是直流電壓，上面的交流噪聲占直流電平的比例很小。有些示波器很探頭就會遇到問題，要設(shè)置好偏置，要很好的探測才能得到更好的觀測噪聲，才能是示波器自身的噪底很小。下面就講一講示波器自身的噪聲。

示波器自身的噪聲

圖1. 噪聲源

如圖1所示。示波器探頭系統(tǒng)中有2個主要的噪聲源。示波器的輸入放大器和緩沖電路會造成噪聲，探頭放大器自身設(shè)計也會帶來噪聲。

所有的示波器都有衰減器來調(diào)整垂直方向縮放系數(shù)。在衰減器之后噪聲會出現(xiàn)。所以當(dāng)衰減器的比例是其他任何不為1:1的比例時（也就是示波器最敏感的硬件范圍），噪聲在輸入接頭處會相應(yīng)的被放大。例如，如果一個示波器在沒有衰減器的時候，最小的敏感范圍是5mV/格。假定示波器在調(diào)成5mV/格時噪底均方根是500uV。把最小敏感范圍調(diào)節(jié)成50mV/格時，示波器在輸入出串聯(lián)了一個10:1的衰減器，噪聲在輸入出就會變成均方根為5mV（500uV乘以 10）.

因此，應(yīng)該使用示波器最小的敏感范圍來避免“放大”示波器自身的噪聲。

示波器探頭的噪聲是在示波器衰減器的前面，所以無論衰減系數(shù)是多少，噪聲的貢獻(xiàn)都是一樣的。

在大多數(shù)情況下，把示波器調(diào)節(jié)成最敏感范圍時，探頭的噪聲會比示波器的噪聲大很多。你可能會問：為什么還要用探頭？大多數(shù)電源驅(qū)動示波器50歐姆是沒有問題的，那么為什么還要使用探頭引入的不必要噪聲呢？問題的原因是和動態(tài)范圍有關(guān)。下面舉例說。測量1.5V直流電源噪聲時，需要把偏置設(shè)成1.5V來把信號放在屏幕的中央同樣也是放在示波器A/D轉(zhuǎn)換器測量范圍的中間。在1.5V偏置的情況下示波器最小敏感范圍是100mV/格。在100mV/格時，示波器自身的噪聲均方根大約是3mV。在100mV/格時，你要測量的噪聲只占A/D轉(zhuǎn)換器量程比例的一小部分，你必須要再測量是滿足分辨率的要求。如果使用差分有源探頭，你可以在把偏置設(shè)成1.5V直流電壓時，用10mV/格來測量。

如果示波器支持AC耦合，動態(tài)范圍的問題也可以用AC耦合來解決。如果你的示波器有50歐姆輸入，使用50歐姆同軸電纜和1:1的探頭（如后面所示），你可以使用一個串行的隔直電容。選擇一個能觀測到最小有用頻率的隔直電容。使用AC耦合的唯一缺點(diǎn)是你無法觀測電源電壓的緩慢變化。

測量實(shí)例

此實(shí)驗(yàn)中為了模擬電源中可控的噪聲源，我們用如圖2所示的噪聲源。方波模擬從驅(qū)動管腳和其他瞬態(tài)負(fù)責(zé)引起的切換噪聲。正弦波模擬開關(guān)電源噪聲。我們同時也加入了隨機(jī)噪聲來使測量相關(guān)噪聲變得更困難。

圖2.實(shí)驗(yàn)設(shè)置

首先我們測量系統(tǒng)自身的噪聲，包括示波器和探頭。圖3顯示了在沒有探頭時的噪聲。測量噪聲的數(shù)量級是均方根800uV。如果我們要測量的噪聲的數(shù)量級是均方根2.4mV或者更小，測量的結(jié)果就有問題了，這取決于噪聲自身的特性。正交的高斯分布的噪聲如果是均方根2.4mV,測量的結(jié)果就是2.4mV平方加 800uV的平方，然后開根號，結(jié)果是2.53mV,誤差率大約是5%。

圖3. 示波器和探頭噪聲

從另一方面說，如果噪聲是有邊界的相關(guān)聯(lián)的，我們可以在更小的幅度上精確的測量。

圖4顯示的“噪聲”包括了3種噪聲源：正弦波，方波，隨機(jī)噪聲，在這個圖中沒有有用的分析信息。