引言
數(shù)十年來，電子行業(yè)在摩爾定律的引導(dǎo)下飛速發(fā)展,，產(chǎn)品的功能日益強(qiáng)大,，特性日益豐富，讓我們所有人都可以享受到更加現(xiàn)代化的生活,。經(jīng)濟(jì)適用的微控制器呈現(xiàn)爆炸式增長,，這意味著越來越多的器件（如家用電器、汽車,、醫(yī)療設(shè)備,、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng),、智能手機(jī),、云）在微控制器的控制下工作，提供更優(yōu)異的性能和更多樣化的特性,。但是這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員也面臨著一項(xiàng)挑戰(zhàn),，即必須為產(chǎn)品中的器件和電路供應(yīng)“純凈"的電力。為此,，業(yè)界投入了大量的時(shí)間,、人力和設(shè)備，專注于設(shè)計(jì)現(xiàn)代產(chǎn)品中的配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）,。設(shè)計(jì)人員通常使用實(shí)時(shí)示波器來測量這些產(chǎn)品中的直流電源,。本篇文章介紹了測量和分析直流電源的實(shí)用技巧，并討論了如何選擇和評(píng)測在直流電源測量中使用的工具,。
PDN 和電源完整性
電源完整性（PI）是電子行業(yè)中的一個(gè)常用術(shù)語,，它指的是對(duì)系統(tǒng)中的電源如何有效地為負(fù)載供應(yīng)和轉(zhuǎn)換電力進(jìn)行分析。從電源到負(fù)載的無源元件和互連（含半導(dǎo)體封裝）構(gòu)成配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）,，電源輸出的電力通過這個(gè) PDN 供應(yīng)給負(fù)載,。電源完整性分析通常包括從直流到數(shù)千兆赫的測量。常見的電源完整性測量有：
· PARD — 周期和隨機(jī)干擾,，這個(gè)術(shù)語在業(yè)內(nèi)廣泛使用,，它的定義為在所有其他參數(shù)保持不變的情況下，直流輸出與其平均值的偏差,。它衡量的是直流輸出經(jīng)過調(diào)理和濾波電路之后仍然殘留的多余交流和噪聲分量,，用有效值（RMS）或峰峰值表示,。在20Hz至20MHz的帶寬范圍內(nèi)，峰峰值測量更常用,。在20Hz以下發(fā)生的類似PARD的變化通常稱為漂移,。
· 負(fù)載響應(yīng) — 指的是靜態(tài)或瞬態(tài)負(fù)載，它主要衡量在預(yù)定負(fù)載條件下,，電源輸出保持在閾值內(nèi)的能力,。它通常包括測量電源的瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間，也就是當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí),，電源從瞬態(tài)恢復(fù)到預(yù)定義的穩(wěn)定頻段內(nèi)所需的時(shí)間,。
· 噪聲 — 指直流電源與其標(biāo)稱值的偏差。噪聲可能包括隨機(jī)噪聲（如熱噪聲）和雜散信號(hào)（如相鄰電路的開關(guān)耦合或 PARD 和負(fù)載響應(yīng)）,。
問題：
在目前正在設(shè)計(jì)的后繼幾代產(chǎn)品中,，元器件密度和速度越來越高，而“純凈"電力的重要程度也隨之升高,。直流電源偏差可能是造成數(shù)字系統(tǒng)中的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)的最主要原因,。電源到數(shù)字器件的壓降可能會(huì)減少經(jīng)過該器件內(nèi)選通電路的傳播時(shí)延，從而導(dǎo)致時(shí)序裕量減少甚至是比特位失效,。為了解決這個(gè)問題,，電源容限縮小到 5% 甚至更低。
由于數(shù)字器件的開關(guān)速度和轉(zhuǎn)換速率大幅升高,，所以開關(guān)噪聲進(jìn)入電源的可能性也隨之增加,。這種噪聲會(huì)出現(xiàn)在開關(guān)電流的帶寬上，并且很容易就超過1 GHz,。
降低數(shù)字系統(tǒng)中的信號(hào)幅度可加快開關(guān)速度,，但同時(shí)也要求降低電源的噪聲裕量。
提高效率或降低功耗是要求更嚴(yán)苛控制電源容限的另一個(gè)原因,。如果電源的容限以前是10%，現(xiàn)在降低到了5%,，那么設(shè)計(jì)的功耗也可以降低最多5%,。
接下來，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是測量駐留在直流電源上的更小,、更快的交流信號(hào),。
直流電源噪聲
在理想情況下，直流電源不會(huì)產(chǎn)生任何噪聲,。那么噪聲是從何而來的呢,？
電源上不可避免會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，也就是由電子熱擾動(dòng)所產(chǎn)生的電子噪聲,，它會(huì)形成簡單的高斯噪聲,。高斯噪聲通常不是最大的噪聲來源,。
直流電源上噪聲的主要來源是電源本身的開關(guān)噪聲以及電路中器件的開關(guān)電流所引起的噪聲，開關(guān)會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流需求,。這種因?yàn)殚_關(guān)事件而產(chǎn)生的噪聲在時(shí)間上可能是隨機(jī)出現(xiàn)的,，但是它們往往趨向于與系統(tǒng)中的時(shí)鐘保持一致。
我們可以將直流電源上的噪聲視為電源開關(guān)噪聲和開關(guān)電流噪聲等“信號(hào)"的組合,，并且它們是疊加在直流電源上的,，這樣測量和分析起來更加容易。
測量挑戰(zhàn)
由于直流電源噪聲的帶寬很寬,，因此在測量這一噪聲時(shí),，用戶往往更喜歡使用示波器，因?yàn)槭静ㄆ鞑粌H具有非常寬的帶寬,，而且簡單易用,，容易獲得。示波器還可以對(duì)噪聲的成因提供分析視角,，請看下面的例子,。
實(shí)時(shí)寬帶示波器和它們配備的探頭都有一定的本底噪聲。如果示波器和探頭的噪聲幅度與直流電源的噪聲相似,，那么會(huì)讓直流電源噪聲測量變得非常麻煩,。
動(dòng)態(tài)范圍是測量直流電源噪聲的另一個(gè)挑戰(zhàn)。您關(guān)注的電源輸出位于某個(gè)直流電平上,，而想要測量的電源輸出上的小交流信號(hào)（噪聲）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)直流電平,。您希望放大交流噪聲，將示波器設(shè)置到更靈敏的量程以觀察噪聲的細(xì)節(jié),，同時(shí)讓示波器繼續(xù)維持較低的噪聲電平（參見右欄的“關(guān)于示波器噪聲的小經(jīng)驗(yàn)"部分）,。取決于所使用的示波器和探頭，您可能無法做到這一點(diǎn),。
技巧 1. 選擇噪聲低的示波器測量路徑
顯然,，如果要測量直流電源上的噪聲，您肯定希望示波器測量系統(tǒng)的噪聲盡量小,，以免影響您的測量結(jié)果,。遺憾的是，許多用戶正是在這里感到迷茫,，他們不知道可能有更好的選擇,。示波器測量路徑由所使用的示波器和示波器輸入端子（50 Ω 或 1 MΩ）組成。
對(duì)于許多示波器而言,，50 Ω 輸入路徑的噪聲比 1 MΩ 路徑低,。下面的圖1顯示Keysight DSOS054A 高清示波器（500 MHz，4 通道）的 50 Ω 輸入和 1 MΩ 輸入的基線噪聲。
這種類型的測量通常稱為指零測量,，是確定示波器測量系統(tǒng)基線噪聲的一種測量,。這是一種合理性校驗(yàn)，類似于在進(jìn)行導(dǎo)通或電阻測量之前先將數(shù)字萬用表上的引線短接一下的做法,。您最好對(duì)整個(gè)示波器測量系統(tǒng)（包括探頭）執(zhí)行一次指零測量,，這樣可以確保示波器和探頭適合用于您要執(zhí)行的電源噪聲測量。要進(jìn)行指零測量的話,，只需像進(jìn)行電源噪聲測量一樣對(duì)示波器和探頭進(jìn)行配置,，然后將輸入端短接到地（或在差分探頭上短接一下輸入）,，即可開始測量噪聲,。
技巧 2. 通過限制帶寬降低測量系統(tǒng)的噪聲
帶寬是不是越高越好？不一定,。示波器和探頭的噪聲電壓與頻率有關(guān),。通過將使用的帶寬限制為給定測量所需的帶寬,，我們可以減少測量中出現(xiàn)的示波器和探頭噪聲。我們以圖 2 中顯示的測量為例進(jìn)行說明,。在這些測量中,，我們使用了Keysight MSOS804A 示波器（8 GHz，10位ADC,，20 GSa/s）和N7020A 電源探頭（2GHz,，1:1衰減）來執(zhí)行前面提到的指零測量。測量結(jié)果匯總在表1中,。
表 1. 在不同帶寬下得到的指零測量噪聲結(jié)果
技巧 3. 使用 1:1 衰減降低測量系統(tǒng)的噪聲
示波器探頭具有不同的衰減比,。您可能最熟悉 10:1 無源探頭。使用 10:1 探頭的一個(gè)優(yōu)勢是它能讓您測量超過示波器最大輸入的信號(hào),。衰減的不利之處在于,，衰減比越大，示波器噪聲幅度相對(duì)于被測信號(hào)幅度就越大,。詳細(xì)信息請參見右欄的“關(guān)于示波器噪聲的小經(jīng)驗(yàn)"部分,。
我們以圖 3 中所示的測量結(jié)果為例進(jìn)行說明。使用 10:1 探頭和 1:1 探頭分別測量同一個(gè)信號(hào),，即 20 MHz 50 mV p-p 正弦波信號(hào),。兩次測量的區(qū)別是衰減比不同。1:1 探頭測得的值為 52 mV p-p,，而10:1 探頭測得的值為 65 mV p-p。較高的衰減比使得信噪比降低,，所以測量值超過實(shí)際值至少 25%,。由此可以看出，在測量小信號(hào)時(shí)，示波器和探頭噪聲可能對(duì)測量結(jié)果有很大影響,，此時(shí)最好使用盡量小的衰減比,。
關(guān)于示波器噪聲的小經(jīng)驗(yàn)
參見下面的方框圖。示波器和探頭系統(tǒng)中的噪聲主要來自兩個(gè)方面,。示波器中的輸入放大器和緩沖區(qū)電路會(huì)產(chǎn)生一些噪聲,，有源探頭的探頭放大器也會(huì)產(chǎn)生噪聲。
示波器使用衰減器來改變垂直標(biāo)度系數(shù),。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過衰減后,，相對(duì)來說示波器的噪聲就變大了。當(dāng)衰減器設(shè)置為大于 1:1（示波器硬件量程）時(shí),，噪聲看起來相比示波器輸入端口處的信號(hào)成比例放大,。例如，在未插入衰減（1:1）時(shí),，示波器的基本靈敏度為5mV/格,。在這個(gè)例子中，我們假設(shè)示波器在5 mV/格時(shí)的本底噪聲為500 µVrms,。如果我們將靈敏度改為50 mV/格,，示波器會(huì)在輸入端串聯(lián)一個(gè) 10:1 的衰減器。此時(shí)的噪聲相對(duì)輸入來說,，就像是5 mVrms一樣（500 μV*10）,。如果將配有衰減器的探頭連接到示波器，會(huì)發(fā)生同樣的情況,。示波器的噪聲看起來相對(duì)探頭輸入端的信號(hào)成比例放大,，放大倍數(shù)等于衰減比例。
技巧 4. 使用探頭偏置增加動(dòng)態(tài)范圍
探頭偏置是有源探頭的一項(xiàng)功能,，它使用戶可以去除被測信號(hào)中的直流內(nèi)容,。尤其是在直流信號(hào)上有較小的交流信號(hào)時(shí)（比如測量電源噪聲時(shí)），探頭偏置更加重要,。圖 4 顯示了分別使用和不使用探頭偏置時(shí),，對(duì) 1.5 V 電源上的噪聲進(jìn)行測量的結(jié)果。其中的差異是因?yàn)槭静ㄆ髟谳^大 V/格設(shè)置下應(yīng)用了衰減,。
注：提供偏置的大多數(shù)有源探頭也具有超過 1:1 的衰減比,，這與降低示波器測量系統(tǒng)噪聲的目標(biāo)相悖。有一些探頭（例如 Keysight N7020A電源探頭）能夠同時(shí)提供偏置功能和 1:1 衰減比,。N7020A的偏置范圍為 ±24 V,。
技巧 5. 了解直流阻斷器的缺點(diǎn)
直流阻斷器是一種專用的大電容，可以插入到信號(hào)與示波器輸入端之間,。直流阻斷器的用途是阻斷或去除信號(hào)中較大的直流分量,，以便將示波器設(shè)置到更靈敏的量程，這一測量原理與前文中關(guān)于使用探頭偏置的原理是一樣的。直流阻斷器的缺點(diǎn)在于它除了阻斷直流內(nèi)容之外,，還會(huì)阻斷低頻交流內(nèi)容,，例如漂移或電源壓縮。圖 5 顯示了分別使用直流阻斷器和具有探頭偏置功能的N7020A 電源探頭對(duì)5 V 直流電源進(jìn)行測量的比較,。從這個(gè)例子中,，您可以看到使用直流阻斷器進(jìn)行的測量會(huì)去除低頻電源漂移并可能產(chǎn)生誤導(dǎo)。另外,，由于直流信息被阻斷,，測量結(jié)果中沒有包括這一信息，因此無法通過示波器確定存在電源噪聲的直流值,。想要獲取這個(gè)信息,，還需要額外使用數(shù)字萬用表或進(jìn)行類似的測量。為了說明這一點(diǎn),，圖 6 對(duì)比了分別使用直流阻斷器和具有偏置功能的 N7020A 電源探頭對(duì) 1.5 V DDR3 電源進(jìn)行測量的結(jié)果,。
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