直流电源纹波和噪声测试的5大技巧

简要描述：

电源是集成电路设计中的一个需要严格控制的单元，越来越经济实惠的微型控制器的市场增长也同步增加了对配电网络的需求，而且电源电压也在下降，电源电压降低有助于降低功耗，当今许多设计都是3.3 V、1.8 V甚至1.1 V电源。随着这些电源电压等级变得越来越低，电压的公差要求也越来越严，偏差度已从10%下降到1%至5%。

因此必须仔细检查直流电源轨和电源线路的质量和完整性，纹波、噪声和瞬态取决于这些电源轨。在降低这些噪声之前，需要先测量它们，目标是确保电源轨纯净。从根本上说，需要测量比直流信号更小、更快的交流信号。

挑战：在大直流信号上测量微小交流信号

比如在下面电路中，有一个直流信号和该直流信号顶部的容差带。因此，只要电压保持在容差范围内，配电网络就是允许的，如果超出了容限范围，就会失败，在这种情况下，将不得不去改善以降低噪声。在任何条件下，都必须能够看到和测量位于DC信号之上的AC信号，本应用简介五个技巧，可以帮助获得AC信号的最佳测量结果。

直流电源纹波和噪声测试的5大技巧

技巧1：选择前端噪声低的示波器

所有示波器系统都会带来一些噪声，就像任何电子设计中的固有噪声一样。问题是，这台仪器有多大的噪声？示波器中的所有噪声都会叠加在正在测量的信号之上，这将对看到的测量结果值产生明显差异。

示波器设计各不相同，一些示波器使用经济的组件来降低成本，但示波器越经济，前端噪声就越大。但一些示波器，例如Keysight InfiniVision HD 3系列，具有极低的噪声前端系统，可以用于更灵敏的测量，例如电源完整性。是德科技设计的定制组件确保该示波器不会影响敏感测量，例如电源轨上的纹波，示波器系统的噪声水平尽可能低，这样就不会掩盖测试结果。

Keysight InfiniVision HD 3系列示波器的低底噪特性，FFT变换后测试到（53 μV）的极低电压信号。

技巧2：使用1：1探头

示波器探头有多种衰减比，该比率决定了信号在测试前之前被划分的等级。例如10：1探头能够测量超出示波器最大输入范围的信号。

衰减的缺点是，相对于正在测量的信号大小，示波器噪声的大小也会增加。在下图中，10：1探头和1：1探头测量同一电源上的输出纹波并用的相同设置。10：1探头提高了测量值至少50%，因为更高的衰减比会降低信噪比。当噪声可能存在问题时，1：1探头可以更准确地测量信号。

技巧3：使用示波器的50欧输入阻抗

示波器测量路径包括正在使用的示波器、示波器输入端口（50Ω或1 MΩ）以及接入信号的探头。对于许多示波器来说，50Ω输入比1 MΩ输入噪声要更低。

下图显示了50Ω输入和1 MΩ输入的基线噪声。50欧（黄色）显然较小，在这种情况下，是更好的选择。

在不连接任何探头的情况下检查示波器端口的噪声。接下来，连接探头，将输入短接至地（或在差分探头上将输入短接至地），并在连接探头的情况下测量基线噪声。

HD 3示波器的50Ω输入与1 MΩ输入的基线噪声比较

技巧4：使用探头偏置来增加测试动态范围

与直流信号相比，直流电源上的纹波和噪声很可能非常小，是较小的交流信号叠加在相对较大的直流信号之上。偏置是一些示波器和有源探头中的一项功能，能够从测量的信号中移除直流分量。下图显示了使用和不使用探头偏置的1.8 V电源上的噪声测量结果。尽管大多数有源探头都提供偏置功能，但同时也具有很大的衰减比，从而增加了示波器测量系统的噪声。虽然隔直器也可以过滤直流分量，但它也同时滤掉了信号中的低频成分。

技巧5：最大限度地降低示波器和探头的负载影响围

任何时候，当一个示波器探测一个系统时，它都会因为测试点接触而成为该系统的一部分，这个接触由于创建了额外的接地路径从而改变了正在测量的系统。测量小信号时，目标之一是尽可能地最大限度地减少测量系统的负载。

在测量直流电源时，当用户将50Ω同轴电缆连接到电源和示波器的50Ω输入端时，经常会出现过载的情况。下图是对电源轨测量的比较，首先，使用数字万用表测量了电源轨，得到了3.31 V的结果，接下来，用50 kΩ的输入阻抗探测电源，仍然得到3.31 V，最后，通过示波器的50Ω输入直接连接到被测电源，测试电压从3.31 V降到3.25 V。有些电源有足够的剩余容量来驱动这个额外的负载，但有些则没有，这种额外的负载可能会影响集成电路的电源管理行为。

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