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      電源噪聲測量中的陷阱之示波器探頭負載和帶寬-云帆興燁

      發表日期:2021/08/27 瀏覽次數:
      前面我們已經討論了測量電源噪聲中面臨的各種挑戰,包括RF干擾和信噪比(SNR),接下來我們來看另一個挑戰:如何在測量中實現高帶寬,同時最大限度地減少DUT上的電流負載?鑒于DUT是電源軌,我們不希望從它汲取太多電流。但是這兩個測量要求是相互矛盾的,它與互連信號的基本特性有關。

      假設探頭是一根同軸電纜,示波器探頭的輸入阻抗設置為1MΩ,利用次探頭探測低阻抗的電源,從該電源發射到探頭的任何瞬變,則會遇到1MΩ輸入阻抗并反射回來,從而引發振鈴(圖1)。
      微信圖片_20210827104006.jpg
      圖1:在低阻抗電源軌和1MΩ輸入阻抗之間連接6“長的同軸電纜會在信號采集時產生反射和振鈴

      在示波器上看到多少振鈴取決于同軸電纜的長度與示波器的帶寬,如果想將振鈴頻率推高到超出您的例如1-GHz示波器的帶寬限制,那么需要使用的同軸電纜足夠短,以至于它聽起來不切實際。它需要小于3英寸長。如果你使用儀器的全部帶寬,將會看到顯示屏上看到明顯的振鈴誤差。

      所以為了實用起見,我們會使用更長的同軸電纜。只要示波器的1MΩ輸入阻抗與電源軌DUT的阻抗之間存在阻抗不匹配,就會產生反射并因此產生振鈴。因此,要想不產生振鈴誤差,你可以獲得的最高帶寬可能低于預期。

      怎樣才能解決這個振鈴問題呢?非常簡單:在示波器上使用50Ω輸入阻抗,這種端接設計用于終止電纜中的反射。

      但這里有一個矛盾:如果在示波器探頭上使用50Ω輸入端接,則在電源上將包含50Ω負載。如果測量5 V電壓軌,這是示波器中的50Ω電阻可以承受的最高電壓,它將消耗100 mA,如果電源提供100 A,這不是問題,但如果它是LDO,最大電流為200mA,示波器將消耗一半的裕量。

      另一種選擇是使用10X衰減示波器探頭,它有一個1MΩ的示波器輸入,因此不會使電源負載過大。如上所述,10X探頭將失去20 dB的SNR。一些工程師在探頭前端使用450Ω串聯電阻來制作“手工”的10X探頭,負載是500Ω,同軸電纜仍然有50Ω終端,所以他們都很高興。但同樣,已經引入了10倍衰減,為了阻抗匹配犧牲了SNR。

      使用同軸探針可以測量高帶寬,但為此,需要50Ω的負載,但這會使電源負載過大,并且我們無法探測超過5 V的電源。通常,測試和測量都會涉及妥協,在某種程度上,每種測量方案都將決定如何平衡這些要求以獲得最有意義的結果。

      克服這些挑戰的方法是使用有源示波器探頭,有源電源軌探頭在低頻時具有高阻抗,因此它們不會使電源軌負載過大,而在50Ω示波器輸入終端電阻中引入一個帶有隔直電容的并聯高通濾波器。此外,有源電源軌探頭通??梢猿惺芨哌_30V的電壓,并且能夠產生大的偏移。我們將在下一部詳細講解專門針對電源測試的有源探頭。


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