鼎阳SDS2000示波器在测试电源纹波/噪声上的应用

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摘要
        如今的电子产品，信号速度越来越快，集成电路芯片的供电电压也越来越小，90年代芯片的供电通常是5V和3.3V，而现在，高速IC的供电通常为2.5V, 1.8V或1.5V等等，供电电压越小，对电压的波动要求也就越高。对于这类电压较低的直流电源的电压测试简称电源纹波/噪声测试。通常的纹波要求是+/-5%，有的甚至要求+/-2%。
       
        测量方法
        测量纹波/噪声首先必须知道正确的测量方法，很多工程师拿数字示波器测量出来几百mV的纹波/噪声值，和参数规格一比，完全差了几十的倍数这个肯定是测量方式不正确造成。
       
        以下几点会影响到电源纹波/噪声测量的准确性：
        1，示波器的底噪和量化误差
        2，使用衰减因子大的探头测量小电压
        3，探头的GND和信号两个探测点的距离过大
        4，示波器通道的设置（50Ω和1MΩ，直流耦合还是交流耦合）
        1    对仪器的要求
       
        示波器参数要求：
        支持带宽限制或数字滤波功能：一般示波器都支持20MHz带宽限制，也有更为高级的全带宽限制功能，如：SDS2000系列，阻抗要求50欧和1M欧可选。
       
        在芯片端的电源和地阻抗通常是毫欧级别的，高频的电源噪声从同轴电缆传输到示波器通道后，当示波器输入阻抗是50欧时，同轴电缆的特性阻抗50欧与通道的完全匹配，没有反射;而通道输入阻抗为1M欧时，相当于是高阻，根据传输线理论，电源噪声发生反射，这样，导致1M欧输入阻抗时测试的电源噪声高于50欧的。
       
        探头要求：
        为了使接地线尽量短，可以为探头配置测试短针，或者自制短接地线：去除探头接地线套，用金属丝自行绕制接地短线，推荐五类线中铜丝，强度适中。也可以用焊锡丝、铝丝等。
       
        选择1X无衰减档位，一般无源探头在1X档位时，其带宽限制在6MHz/10MHz带宽，如此在前端可有效滤除高频纹波/噪声的干扰，减小纹波/噪声测量影响。如选用10X档位，不但无滤波作用，而且对纹波/噪声信号衰减严重，会增加观察难度。
       
        下面以鼎阳公司的SDS2000为例，进行常规测量所采用的正确操作步骤：
        1.打开SDS2000的带宽限制功能，限制示波器带宽为20MHz，目的是避免数字电路的高频纹波/噪声影响测量，尽量保证测量的准确性；同时阻抗选择50Ω。
        2.设置耦合方式为交流耦合，避免因为直流信号过大示波器显示不出纹波/噪声信号，方便测量（以更小档位来仔细观测纹波/噪声，不关心直流电平）；在DC耦合下，在量程2mV甚至更小时，有些示波器的偏置电压不够。鼎阳SDS2000示波器的电压偏移范围如下，
        3.保证探头接地尽量短，如果探头和地距离较远就会有很多的EMI噪声辐射到探头的信号回路中，如图一所示，示波器观察的波形包括了其他的信号分量导致测试结果错误。因此要尽量减小探头的信号与地的探测点的间距，减小环路面积。（测量纹波/噪声动辄上百mV的主要原因就是接地线太长），可以拆除探头的接地线和外壳，露出探头地壳，将接地线缠绕在探头地壳上，这一可以有效的保证接地线长度小于1cm；（这是重点，本来纹波/噪声就为小信号，接地线过长产生的电感效应会对测量产生较大的纹波/噪声干扰）
         

       

       
       
        2    实际测试一个纹波/噪声信号：
        测量一个直流电源的纹波/噪声，如下图：  
         

       

       
        首先用高阻测试纹波/噪声，如图3；
         

       

       
        其次用50Ω测试纹波/噪声，如图4；
         

       

       
        在测试中我们发现：如果使用1倍衰减的探头测试，当示波器通道输入为1M欧姆时，通常其测出的电源噪声大于50欧姆输入阻抗的。因为高频的电源噪声从同轴电缆传输到示波器通道后，当示波器输入阻抗为50欧姆时，同轴电缆的阻抗50欧姆与通道的完全匹配，无反射；当输入阻抗为1M欧姆时，即高阻时，电源噪声会发生反射，这样就会导致1M欧姆测试的噪声大于50欧姆的。
        所以，测量小电源噪声时，推荐使用50欧姆的输入阻抗。