力科示波器基础应用系列之十 --- 电源噪声探测

在板级的电源噪声测试时，选择准确的探测方案是非常关键的，在笔者的《电源噪声测量的挑战及解决之道》中，详细的介绍了电源纹波、电源噪声、电源配送网络（Power Distribution Network，简称PDN）的相关概念以及推荐的电源噪声测试方案，读者也可参考PI牛人Istvan Novak的这篇文章（见参考文献一），他推荐在板级测量PDN噪声的最佳方案也是用1:1的无源50欧传输线探头，在文中，使用了三种方案测量主板上CPU的电源噪声，最佳的方案还是1倍衰减的无源50欧传输线探头，如图1所示。

使用无源的50欧传输线探头时，示波器的通道设为DC50欧；由于是在板级测量电源噪声，使用带宽500MHz以上的示波器即可；采样率为2.5GSa/s，可以实现1.25G的奈奎斯特带宽；示波器时基设为1ms/div，可以一次捕获10ms时长的信号，完整的测量1个工频周期内的噪声（交流电50Hz通过AC-DC-DC转换后，整流与稳压后为100Hz，其周期为10ms），此时，示波器的存储深度为25Mpts。

无源50欧传输线探头
在电源噪声测试时，探测点通常为靠近IC的电源和地焊盘，比如IC附近的去耦电容的两个pin。一种方法是直接焊接同轴电缆到POWER和GND的焊盘上测试电源噪声，这是一种低成本的方案，缺点是每测量一次都需要重新焊接，效率较低；

另一种替代的方案是使用定制的无源传输线探头。如图2所示为和创定制的无源传输线探头，其探针可直接点测0603电容的两端，测量电源噪声非常方便快捷。该探头有直流耦合和交流耦合两种选择，如果使用的示波器必须隔直后测量电源噪声，可以使用后者。

对于低电压电源的噪声测试，以下为各种测试方案，排前面的为优选的测试方案。

1. 低噪声12位ADC示波器（比如HDO4000） + 1倍衰减无源传输线探头

2. 常规8位ADC示波器 + 1倍衰减无源传输线探头

3. 常规8位ADC示波器 + 隔直电容 + 1倍衰减无源传输线探头

使用方案3的原因是：由于部分实时示波器的垂直刻度为5mV/div时，偏置电压在1V以内，无法测量高于1V的电源噪声，所以，需要使用隔直电容隔离电源噪声的直流成份后再测量。这种测试方法的缺点为隔直电容可能会影响测试结果，选择不同的电容可能有不同的测试结果，接下来将分析不同隔直电容时的噪声测试结果，供读者参考。

从电路理论来分析，在图3中的隔直电容与示波器的50欧电阻组成的电路是一个带通滤波器，在低频时，可忽略电容的等效串联电感ESL，隔直电容与示波器通道的50欧电阻组成RC电路，其低频的3dB截至频率为，随着频率升高，电容的ESL以及探头中的寄生电感的影响越来越大，电感的感抗随着频率增加而增大，其高频的3dB截至频率跟探头和电容的寄生电感相关，接下来我们使用SPICE软件来仿真三种不同隔直电容时的频响曲线。 [p]

下表1为Murata的三种陶瓷电容的等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL，为了便于分析问题，在仿真和计算过程中做了一些简化，没有考虑在不同DC BIAS电压时电容容值的变化，也没有考虑探测部位、表贴电容引入的寄生电感，使用HSPICE仿真频响曲线结果如下图4所示：

图4中，X轴为频率的对数坐标，Y轴为幅度，黄色、红色、灰色依次为100uf、1uf、10nf电容时电路的频响曲线，容值越大，电路低频截至频率越低，图4中3个marker为3根曲线的3dB低频截至频率点。可见，100uf的低频截至频率为31.7Hz，1uf电容的低频截至频率为3.17KHz，10nf电容的低频截至频率约为318KHz。如果没有仿真软件，也可以通过公式直接计算，如下计算了100uf电容的低频截至频率，与仿真结果完全一致。

由于开关电源噪声在几百KHz，因此，建议使用1uf以上的隔直电容。

在上面的电路仿真与计算时，为了简化电路的计算与分析，忽略了如下因素：
1. 从DUT的探测点到示波器通道的50欧同轴电缆
2. 探针、表贴电容引入的寄生电感
3. 陶瓷电容在不同DC偏置电压时容值会变化

针对以上3因素的解释为：
1. 测试所用电缆的长度通常在0.5米以上，目前常用的这类电缆带宽都在1G以上，通过仿真分析，对上述电路频响影响有限，只会在频响曲线中高于几百MHz的频段产生幅度较小的振荡；

2. 寄生电感增大时会降低高频截至频率，图4中频率响应右边的滚降曲线会向低频方向移动；

3. 容值较大的电容在有DC电压偏置时，容值变化较大，比如上面的Murata的100uf电容（1210/X5R/6.3V），加1.5V偏置电压时，容值只有53uf，几乎少了一半，因此，测量电源噪声时，需要核对所用隔直电容的相关参数

总结：对于低电压电源噪声测试，最理想的测试方法时使用低噪声的示波器加50欧的无源传输线探头，如果所用示波器必须加隔直电容时，需选择合适的电容，避免隔直电容过滤部分待测试的噪声。

参考文献：
1， Istvan Novak, “Quiet Power: Whats the Best Method for Probing a PDN ”
2， 张昌骏,汪进进, “电源噪声测量的挑战及解决之道”