用示波器测量电源噪声的方法(1)

引言

如今的电子设计越来越趋向与切换速度加快，封装上会有更多的引脚，信号幅度更小。因此设计人员在从手机到服务器等新的数字电路设计中会更注意电源噪声。实时示波器通常用来测量电源噪声。本文将讲述分析电源噪声的技术，评估电源噪声测试的工具。

面临的问题

由于切换速度和信号转换速率增加，设备上需要切换的引脚数目越来越多，电源中引入了更多的切换噪声。同时，电路也变得越来越受电源噪声影响。减少单位间隔意味着减少时间裕量。减小信号幅度会转为减少噪声裕量。对所有工程上会遇到的问题，理解问题并精确的测量数据才能解决问题。

对“噪声”的理解

在理想的情况下，电源是不会有噪声的，那么电源噪声是怎么产生的呢？

除了由于热过程不可避免引起的高斯噪声（通常这不是噪声的主要部分）之外，所有的电源噪声都会有一到两个源。开关电源会造成不希望的噪声，这些噪声通常会在开关切换频率的谐波或者和切换频率一致。当门电路和输出引脚驱动开关时，会要从电源上得到电流。这是大多数数字电路中的噪声源。这些切换虽然会随机的发生，但是会趋向于和系统时钟一致。当我们把这些看出是叠加在电源上的“信号”而不是“噪声”的时候，分析就会变得简单有效。

测量的挑战

由于电源噪声带宽很大，设计师更倾向于用示波器来测量电源噪声。我们会在后面讲述示波器对噪声原因分析的独特作用。

实时高带宽数字示波器和高带宽探头自身也有噪声，这个必须要考虑。如果你要测量的电源噪声和示波器以及探头的噪底是在一个数量级上的话，你的测量的精确度就会有问题了。本文就要讨论关于示波器噪底的更多信息。

另外一个问题是动态范围。电源是直流电压，上面的交流噪声占直流电平的比例很小。有些示波器很探头就会遇到问题，要设置好偏置，要很好的探测才能得到更好的观测噪声，才能是示波器自身的噪底很小。下面就讲一讲示波器自身的噪声。

示波器自身的噪声

图1. 噪声源

如图1所示。示波器探头系统中有2个主要的噪声源。示波器的输入放大器和缓冲电路会造成噪声，探头放大器自身设计也会带来噪声。

所有的示波器都有衰减器来调整垂直方向缩放系数。在衰减器之后噪声会出现。所以当衰减器的比例是其他任何不为1:1的比例时（也就是示波器最敏感的硬件范围），噪声在输入接头处会相应的被放大。例如，如果一个示波器在没有衰减器的时候，最小的敏感范围是5mV/格。假定示波器在调成5mV/格时噪底均方根是500uV。把最小敏感范围调节成50mV/格时，示波器在输入出串联了一个10:1的衰减器，噪声在输入出就会变成均方根为5mV（500uV乘以 10）.

因此，应该使用示波器最小的敏感范围来避免“放大”示波器自身的噪声。

示波器探头的噪声是在示波器衰减器的前面，所以无论衰减系数是多少，噪声的贡献都是一样的。

在大多数情况下，把示波器调节成最敏感范围时，探头的噪声会比示波器的噪声大很多。你可能会问：为什么还要用探头？大多数电源驱动示波器50欧姆是没有问题的，那么为什么还要使用探头引入的不必要噪声呢？问题的原因是和动态范围有关。下面举例说。测量1.5V直流电源噪声时，需要把偏置设成1.5V来把信号放在屏幕的中央同样也是放在示波器A/D转换器测量范围的中间。在1.5V偏置的情况下示波器最小敏感范围是100mV/格。在100mV/格时，示波器自身的噪声均方根大约是3mV。在100mV/格时，你要测量的噪声只占A/D转换器量程比例的一小部分，你必须要再测量是满足分辨率的要求。如果使用差分有源探头，你可以在把偏置设成1.5V直流电压时，用10mV/格来测量。

如果示波器支持AC耦合，动态范围的问题也可以用AC耦合来解决。如果你的示波器有50欧姆输入，使用50欧姆同轴电缆和1:1的探头（如后面所示），你可以使用一个串行的隔直电容。选择一个能观测到最小有用频率的隔直电容。使用AC耦合的唯一缺点是你无法观测电源电压的缓慢变化。

测量实例

此实验中为了模拟电源中可控的噪声源，我们用如图2所示的噪声源。方波模拟从驱动管脚和其他瞬态负责引起的切换噪声。正弦波模拟开关电源噪声。我们同时也加入了随机噪声来使测量相关噪声变得更困难。

图2.实验设置

首先我们测量系统自身的噪声，包括示波器和探头。图3显示了在没有探头时的噪声。测量噪声的数量级是均方根800uV。如果我们要测量的噪声的数量级是均方根2.4mV或者更小，测量的结果就有问题了，这取决于噪声自身的特性。正交的高斯分布的噪声如果是均方根2.4mV,测量的结果就是2.4mV平方加 800uV的平方，然后开根号，结果是2.53mV,误差率大约是5%。

图3. 示波器和探头噪声

从另一方面说，如果噪声是有边界的相关联的，我们可以在更小的幅度上精确的测量。

图4显示的“噪声”包括了3种噪声源：正弦波，方波，随机噪声，在这个图中没有有用的分析信息。