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。通常我们使用示波器测量电源噪声。本应用指南举例说明了使用示波器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。
现在面临的精准测量的问题
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。
洞察电源的 “ 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。
示波器测量面临的挑战
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。参见下面《示波器噪声简介》。
示波器噪声简介
参见图 1 所示的方框图。在示波器和探头系统中有两个主要的噪声源。一个是示波器的输入放大器和缓冲电路，另一个是设计中本身就存在噪声的探头放大器。 所有示波器均使用衰减器来改变垂直标度系数。示波器的噪声在衰减之后产生。当衰减器设置为除 1:1( 即示波器硬件最灵敏的量程 ) 以外的任何其他比率时，示波器的噪声将比输入连接器上的信号更大。例如，假设一台示波器的基本灵敏度是 5 mV/ 格，无任何衰减，其在 5 mV/ 格量程内有 500 μV RMS 的本底噪声。要将灵敏度调至 50 mV/ 格，示波器应在输入端串联一个 10:1 衰减器。相对于输入(500 μv x 10) 来看，其后的噪声就像是 5 mV RMS。 因此使用最灵敏量程的好处是可避免不必要地“放大”示波器的噪声。 探头的噪声在示波器输入衰减器之前加入，因此无论标度系数是多少，它对测量结果的影响始终是相同的。
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 mV RMS，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。如欲详细了解在此类测量中对探头应用偏置都有哪些优点，请参见是德科技产品 （原安捷伦示波器产品）：
InfiniiMax 示波器差分有源探头www.keysight.com
示波器探头 | Keysight （安捷伦）www.keysight.com
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，而您想使用 50 Ω 同轴器件和下面所述的“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。
图 2. 实验装置
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。
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。
图 4 显示了应用全部三种噪声源之后的 “噪声”：正弦波噪声、方波噪声和随机噪声。在此视图中得不到多少对分析有用的信息。
图 3. 示波器和探头噪声
图 4. 有噪声的电源
第一个技巧 – 使用示波器进行频域分析
如图 5 和图 6 所示 ( 也可以观看侧栏中的 “示波器在 FFT 方面的考虑因素”)，FFT 分析可以对信号执行更深入的分析。除了宽带“白”噪声之外，还有两个分量非常明显：一个分量的频率是 49.5 MHz，另一个是 500 MHz。
FFT 能够帮助您快速分析出噪声的来源。例如，如果您有一个 33 KHz 的开关电源和 500 MHz 时钟，那么可以在 33 KHz 和 500 MHz 的倍频处看到杂散信号。通过这些杂散信号的相对幅度，您可以直接分析出每个杂散信号具有多大的无用噪声功率。
改善杂散信号可见性的另一种技术是平均 FFT。通过对 FFT 结果求平均值，可以极大减少真正的随机噪声，从而使您能够从噪声中分辨出极小的信号。
图 5. 电源噪声的 FFT 结果
图 6. 使用游标的 FFT
第二个技巧 – 利用示波器触发功能查看和测量信号分量
如果您能够在与这两个非随机信号源之一相位相干的信号上触发，再使用平均功能，那么就可以减小或消除与该信号无关的所有分量。图 7 和图 8 说明了这种方法。在图 7 中，示波器在 500 MHz 正弦波上触发并启动平均功能，进行 64 次平均。紫色轨迹是输入到示波器第二个通道的 500 MHz 信号源。该通道作为触发源。黄色轨迹显示了通过平均去除与 500 MHz 信号无关的所有分量之后的电源噪声。
在图 8 中，示波器在 49.5 MHz 方波上进行触发。现在您只能看到与 49.5 MHz 方波有关的噪声分量。通过这种方法，您可以查看和测量在电源本身的随机噪声或示波器和探头的随机噪声掩盖下的信号分量。
图 7. 示波器在正弦波上触发并使用平均功能得到的测量结果
图 8. 示波器在方波上触发并使用平均功能得到的测量结果
第三个技巧 – 应用示波器探头偏置扩大动态范围
在本例中，电源电压为 1.5 VDC，噪声在 mV 范围内。Keysight 示波器自身能在 100 mV/ 格和更大标度上提供 1.5 VDC 的偏置。您可以使用更灵敏的量程来更精确地测量信号，并降低示波器噪声对测量结果的影响。
Keysight InfiniiMax 有源探头能够提供比其他探头大得多的偏置，因此您可以使用示波器中更灵敏的量程，从而获得更准确的测量结果。
制作特殊的探头
大多数电源都可以很容易地驱动 50 Ω 负载。50 Ω 负载只从 1.5 V 电源牵引 3 mA 电流。因此您可以将 50 Ω 同轴电缆直接连接到电源，并使用具有 50 Ω 输入阻抗的示波器以获得最大灵敏度，而不必使用 10:1 探头。您还可以配合使用同轴隔直流电容器，或下面所述的 Keysight N5380B 双 SMA 差分探头前端。如图 9 所示，通过将一小节半刚性同轴电缆的末端剥去外皮，并在另一端焊接一小段接地线，可以很容易地制作出 1:1 探头。为了改善易用性，您还可以使用一个小型弹簧引脚代替电线用于接地连接。
图 9. 1:1 50 Ω 探头
旗舰版测试配置
本节中介绍的配置提供以下全部优势：
– 在宽偏置范围内噪声最低
– 在宽偏置范围内信噪比最佳
– 真正的差分测量
– 直流响应 ( 无交流耦合 )
噪声测量技术和最佳实践总结
了解您的示波器和探头给测量带来了多少噪声。选择本底噪声足够低的示波器和探头有助于您实施精确的测量。始终使用差分探头。
应用探头偏置增加动态范围。
使用 FFT 进行深入分析。
在可疑信号源上触发以及使用平均功能消除无关噪声。
噪声测量工具
Keysight 系列示波器拥有市场上现有示波器中较低的本底噪声和足够大的带宽，可以对高速数字系统中的电源进行精确测量。它们的噪声在最灵敏的量程和 12 GHz 带宽中通常 <400 μV RMS，在更小带宽中会进一步降低。利用降噪选件，您可以牺牲一部分带宽以去除示波器的部分噪声。FFT 一般可以显示您需要多大的带宽才能执行精确的测量。
无论何时最好使用差分探头测量小信号，包括电源噪声测量。“接地”是工程师为了简化分析而虚构的一个概念。如欲了解有关单端探头和差分探头比较的更多背景信息，请参见是德科技示波器（原安捷伦示波器）。
差分探头和单端探头的简化模型
示波器在 FFT 方面的考虑因素 大部分实时数字化示波器都内置有快速傅立叶变换功能。受存储器容量和采样率的限制，示波器在每次触发时只能捕获有限时间的波形。FFT 无法“看到” 输入信号中低于示波器时间捕获窗口倒数的频率。FFT 可以分析的最低频率等于 1/[1/( 采样率 ) X ( 存储器深度 )]. 要通过 FFT 查看可疑的信号源，您必须设置适当的存储器深度以捕获足够多的样本。例如，如果开关电源的工作频率为 33 KHz，则您需要捕获 1/(33 KHz) 或 30 μs 的信号活动，以便在 FFT 中查看。在采样率为 2 0 GSa/s 时，这相当于在存储器中存储 600,000 个点。 FFT 通常只对屏幕上的数据执行运算。要想查看存储器的最低频率和所选择的采样率，必须设置时基以便在屏幕上显示所有存储器。通过标线上的存储器条可轻松确定时基。 有效值 (RMS) 还是峰峰值？ 在本文中，测量结果均是以 RMS 电压表示。对于符合高斯概率密度函数的信号，其峰峰值没有定义，也不能重复测量。RMS 的定义很明确。对于高斯概率密度函数 (pdf)，RMS 的定义与标准差相同，因此可以使用统计表格来关联高斯噪声信号的概率与超过任何给定峰值的已知 RMS 值。如果您添加两个噪 声信号，每个均符合高斯分布，那么两者结合的标准差不会等于各标准差之和，而是各标准差的平方和的平方根。 当然，电源噪声中的确定性部分倾向于有一个固定的值，可以用 RMS 或 P-P 来表示。 噪声测量中的一大难题是确定有多少噪声是确定性的且呈线性增加，有多少是随机性和不相关的并以正交方式增加。本应用指南中说明的技术可以帮助您区分系统中的随机噪声源与确定性噪声源。
结论
通过正确地选择和有技巧地使用示波器和探头，您可以更高效地分析电源噪声。
InfiniiMax 示波器差分有源探头www.keysight.com
示波器探头 | Keysight （安捷伦）www.keysight.com
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