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
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）。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，有源電源軌探頭通常可以承受高達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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