使用示波器测量电源噪声的技巧

使用示波器测量电源噪声的技巧

当今的电子元器件与过去相比，开关切换速度更快，斜率 (slew rate) 更大、每个封装包含的有源针脚数量更多，信号摆动更小。因此，设计者更加关注从手机到服务器等新数字设计中的电源噪声。通常使用实时示波器测量电源噪声。本应用指南举例说明了分析电源噪声的各种技术，并讨论了如何选择和评测电源噪声测量工具。

现在面临的问题

随着开关切换速度和信号斜率的升高以及器件上有源针脚数目的增加，电源中产生了更多的开关切换噪声。同时，电路也变得越来越容易受到电源噪声的影响。单位间隔的减小意味着时间裕量缩小。信号幅度的降低则导致噪声裕量变小。面对所有工程设计问题，工程师们必须了解它们产生的原因并获得精确的测量数据，才能分析和解决这些问题。

洞察 “ 噪声 ”

电源中没有任何噪声是最理想的情况。如何才能实现这一目标？除了不可避免的热过程 ( 这通常不是主要的噪声来源 ) 会产生简单的高斯噪声之外，电源上的几乎所有噪声都来自两个源头中的一个。

电源的开关切换会产生多余的噪声，这种噪声通常出现在开关切换频率的谐波上或与开关切换频率一致。此外，当选通和输出引脚驱动器进行切换时，这个动作将对电源产生瞬态电流需求。在大多数数字电路中，这通常是最主要的噪声来源。尽管这些开关切换动作是随机发生的，但都趋向于接近系统时钟。如果我们把这些噪声的影响视为叠加在电源输出上的“信号”而不是当成“噪声”，那么可以大大简化分析过程并实现更深入的分析。

测量面临的挑战

由于电源噪声的带宽很宽，设计人员希望选择适合的示波器来测量这个噪声。示波器可以提供独特的分析能力，能够找出产生噪声的根源。我们将在下面详细讨论示波器的这一优势。

不过，实时宽带数字化示波器和宽带示波器探头自身也有噪声，必须将它们考虑在内。如果您要测量的电源的噪声与示波器和探头的本底噪声比较接近，那么想要精确测量噪声很困难。本应用指南将讨论如何从示波器的本底噪声之下提取出需要的信息。另一个问题是动态范围。您的电源在输出某个直流电压时，电源中也会产生很小的交流噪声，通常只有直流电压的一小部分。在使用某些示波器和探头时，很难把示波器和探头偏置到足够的程度，以便使用更灵敏的量程更好地观测处于更低示波器噪声电平上的噪声。

大多数情况下，探头噪声要远远大于示波器在最灵敏量程时的噪声，因此您可能会问，为什么要使用探头。大部分电源都可以驱动示波器上的 50 Ω 输入，为什么还要在测量中增加不必要的探头噪声呢？答案与动态范围有关。我们举例来说明。要测量 1.5 VDC 电源上的噪声，您可能想应用 1.5 V 偏置以使信号显示在屏幕中央，同时也显示在示波器 A/D 转换器量程的中间。示波器允许应用 1.5 V 偏置的最灵敏量程是 100 mV/ 格。 在 100 mV/格量程内，示波器的噪声大约为 3 mVRMS，测得的噪声仅在 A/D 转换器量程的一小部分中显示，结果就是测量分辨率大大降低。

通过使用有源差分探头，您可以将信号偏置 1.5 VDC，从而可以使用 10 mV/ 格的量程进行测量。如果您的示波器 ( 或探头 ) 支持交流耦合，那么还可以通过交流耦合来解决动态范围问题。如果您使用的示波器具有 50 Ω输入 ( 例如 Keysight DSO80000)，而您想使用 50 Ω 同轴器件和第 8 页所述的“1:1探头”，那么可以使用一个串联的隔直流电容器。您应选择能够让您查看噪声频谱中预期最低有效频率的隔直流电容器。交流耦合的唯一缺点是无法让您看到电源电压的缓慢漂移。

实例

在此次实验中，为了仿真具有可控噪声源的电源，我们装配了一个包含多个噪声源的实验室用电源，见图 2。方波发生器仿真来自针脚驱动器以及在其他瞬态负载条件下产生的开关切换噪声。正弦波发生器仿真开关电源的噪声。我们还添加了某些真正随机的噪声，因此使得查看和测量相干噪声源更加困难。

测量面临的挑战 

我们首先表征测量系统 ( 包括示波器和探头 ) 所产生的噪声。图 3 显示了在探头输入端未连接任何器件时测得的示波器噪声。噪声测量结果大约为 800 μV RMS。这意味着如果我们要测量大约 2.4 mV RMS 或更低电压的噪声，取决于待测噪声的特性，测量结果可能有点问题。符合高斯概率密度函数 (pdf) 的噪声以正交方式增加，因此如果我们测量 2.4 mV RMS 的真正高斯噪声，得到的结果将是 2.4 mV 与 800 μV 平方和的平方根或 2.53 mV，误差为 ~5%。 另一方面，如果“噪声”是有界的和相干的，我们就可以精确地测量更小幅度的噪声。

请下载此文档以了解更多信息。