引言

数十年来，电子行业在摩尔定律的引导下飞速发展，产品的功能日益强大，特性日益丰富，让我们所有人都可以享受到更加现代化的生活。经济适用的微控制器呈现爆炸式增长，这意味着越来越多的器件（如家用电器、汽车、医疗设备、可穿戴设备、物联网、智能手机、云）在微控制器的控制下工作，提供更优异的性能和更多样化的特性。但是这些产品的设计人员也面临着一项挑战，即必须为产品中的器件和电路供应“纯净"的电力。为此，业界投入了大量的时间、人力和设备，专注于设计现代产品中的配电网络（PDN）。设计人员通常使用实时示波器来测量这些产品中的直流电源。本篇文章介绍了测量和分析直流电源的实用技巧，并讨论了如何选择和评测在直流电源测量中使用的工具。

PDN 和电源完整性

电源完整性（PI）是电子行业中的一个常用术语，它指的是对系统中的电源如何有效地为负载供应和转换电力进行分析。从电源到负载的无源元件和互连（含半导体封装）构成配电网络（PDN），电源输出的电力通过这个 PDN 供应给负载。电源完整性分析通常包括从直流到数千兆赫的测量。常见的电源完整性测量有：

 · PARD — 周期和随机干扰，这个术语在业内广泛使用，它的定义为在所有其他参数保持不变的情况下，直流输出与其平均值的偏差。它衡量的是直流输出经过调理和滤波电路之后仍然残留的多余交流和噪声分量，用有效值（RMS）或峰峰值表示。在20Hz至20MHz的带宽范围内，峰峰值测量更常用。在20Hz以下发生的类似PARD的变化通常称为漂移。

 · 负载响应 — 指的是静态或瞬态负载，它主要衡量在预定负载条件下，电源输出保持在阈值内的能力。它通常包括测量电源的瞬态恢复时间，也就是当负载发生变化时，电源从瞬态恢复到预定义的稳定频段内所需的时间。

 · 噪声 — 指直流电源与其标称值的偏差。噪声可能包括随机噪声（如热噪声）和杂散信号（如相邻电路的开关耦合或 PARD 和负载响应）。

问题：

在目前正在设计的后继几代产品中，元器件密度和速度越来越高，而“纯净"电力的重要程度也随之升高。直流电源偏差可能是造成数字系统中的时钟和数据抖动的最主要原因。电源到数字器件的压降可能会减少经过该器件内选通电路的传播时延，从而导致时序裕量减少甚至是比特位失效。为了解决这个问题，电源容限缩小到 5% 甚至更低。

由于数字器件的开关速度和转换速率大幅升高，所以开关噪声进入电源的可能性也随之增加。这种噪声会出现在开关电流的带宽上，并且很容易就超过1 GHz。

降低数字系统中的信号幅度可加快开关速度，但同时也要求降低电源的噪声裕量。

提高效率或降低功耗是要求更严苛控制电源容限的另一个原因。如果电源的容限以前是10%，现在降低到了5%，那么设计的功耗也可以降低最多5%。

接下来，设计人员面临的挑战是测量驻留在直流电源上的更小、更快的交流信号。

直流电源噪声

在理想情况下，直流电源不会产生任何噪声。那么噪声是从何而来的呢？

电源上不可避免会产生热噪声，也就是由电子热扰动所产生的电子噪声，它会形成简单的高斯噪声。高斯噪声通常不是最大的噪声来源。

直流电源上噪声的主要来源是电源本身的开关噪声以及电路中器件的开关电流所引起的噪声，开关会产生瞬态电流需求。这种因为开关事件而产生的噪声在时间上可能是随机出现的，但是它们往往趋向于与系统中的时钟保持一致。

我们可以将直流电源上的噪声视为电源开关噪声和开关电流噪声等“信号"的组合，并且它们是叠加在直流电源上的，这样测量和分析起来更加容易。

测量挑战

由于直流电源噪声的带宽很宽，因此在测量这一噪声时，用户往往更喜欢使用示波器，因为示波器不仅具有非常宽的带宽，而且简单易用，容易获得。示波器还可以对噪声的成因提供分析视角，请看下面的例子。

实时宽带示波器和它们配备的探头都有一定的本底噪声。如果示波器和探头的噪声幅度与直流电源的噪声相似，那么会让直流电源噪声测量变得非常麻烦。

动态范围是测量直流电源噪声的另一个挑战。您关注的电源输出位于某个直流电平上，而想要测量的电源输出上的小交流信号（噪声）远远小于这个直流电平。您希望放大交流噪声，将示波器设置到更灵敏的量程以观察噪声的细节，同时让示波器继续维持较低的噪声电平（参见右栏的“关于示波器噪声的小经验"部分）。取决于所使用的示波器和探头，您可能无法做到这一点。

技巧 1. 选择噪声低的示波器测量路径

显然，如果要测量直流电源上的噪声，您肯定希望示波器测量系统的噪声尽量小，以免影响您的测量结果。遗憾的是，许多用户正是在这里感到迷茫，他们不知道可能有更好的选择。示波器测量路径由所使用的示波器和示波器输入端子（50 Ω 或 1 MΩ）组成。

对于许多示波器而言，50 Ω 输入路径的噪声比 1 MΩ 路径低。下面的图1显示Keysight DSOS054A 高清示波器（500 MHz，4 通道）的 50 Ω 输入和 1 MΩ 输入的基线噪声。

这种类型的测量通常称为指零测量，是确定示波器测量系统基线噪声的一种测量。这是一种合理性校验，类似于在进行导通或电阻测量之前先将数字万用表上的引线短接一下的做法。您最好对整个示波器测量系统（包括探头）执行一次指零测量，这样可以确保示波器和探头适合用于您要执行的电源噪声测量。要进行指零测量的话，只需像进行电源噪声测量一样对示波器和探头进行配置，然后将输入端短接到地（或在差分探头上短接一下输入），即可开始测量噪声。

技巧 2. 通过限制带宽降低测量系统的噪声

带宽是不是越高越好？不一定。示波器和探头的噪声电压与频率有关。通过将使用的带宽限制为给定测量所需的带宽，我们可以减少测量中出现的示波器和探头噪声。我们以图 2 中显示的测量为例进行说明。在这些测量中，我们使用了Keysight MSOS804A 示波器（8 GHz，10位ADC，20 GSa/s）和N7020A 电源探头（2GHz，1:1衰减）来执行前面提到的指零测量。测量结果汇总在表1中。

表 1. 在不同带宽下得到的指零测量噪声结果

技巧 3. 使用 1:1 衰减降低测量系统的噪声

示波器探头具有不同的衰减比。您可能最熟悉 10:1 无源探头。使用 10:1 探头的一个优势是它能让您测量超过示波器最大输入的信号。衰减的不利之处在于，衰减比越大，示波器噪声幅度相对于被测信号幅度就越大。详细信息请参见右栏的“关于示波器噪声的小经验"部分。

我们以图 3 中所示的测量结果为例进行说明。使用 10:1 探头和 1:1 探头分别测量同一个信号，即 20 MHz 50 mV p-p 正弦波信号。两次测量的区别是衰减比不同。1:1 探头测得的值为 52 mV p-p，而10:1 探头测得的值为 65 mV p-p。较高的衰减比使得信噪比降低，所以测量值超过实际值至少 25%。由此可以看出，在测量小信号时，示波器和探头噪声可能对测量结果有很大影响，此时最好使用尽量小的衰减比。

关于示波器噪声的小经验

参见下面的方框图。示波器和探头系统中的噪声主要来自两个方面。示波器中的输入放大器和缓冲区电路会产生一些噪声，有源探头的探头放大器也会产生噪声。

示波器使用衰减器来改变垂直标度系数。当信号经过衰减后，相对来说示波器的噪声就变大了。当衰减器设置为大于 1:1（示波器硬件量程）时，噪声看起来相比示波器输入端口处的信号成比例放大。例如，在未插入衰减（1:1）时，示波器的基本灵敏度为5mV/格。在这个例子中，我们假设示波器在5 mV/格时的本底噪声为500 µVrms。如果我们将灵敏度改为50 mV/格，示波器会在输入端串联一个 10:1 的衰减器。此时的噪声相对输入来说，就像是5 mVrms一样（500 μV*10）。如果将配有衰减器的探头连接到示波器，会发生同样的情况。示波器的噪声看起来相对探头输入端的信号成比例放大，放大倍数等于衰减比例。

技巧 4. 使用探头偏置增加动态范围

探头偏置是有源探头的一项功能，它使用户可以去除被测信号中的直流内容。尤其是在直流信号上有较小的交流信号时（比如测量电源噪声时），探头偏置更加重要。图 4 显示了分别使用和不使用探头偏置时，对 1.5 V 电源上的噪声进行测量的结果。其中的差异是因为示波器在较大 V/格设置下应用了衰减。

注：提供偏置的大多数有源探头也具有超过 1:1 的衰减比，这与降低示波器测量系统噪声的目标相悖。有一些探头（例如 Keysight N7020A电源探头）能够同时提供偏置功能和 1:1 衰减比。N7020A的偏置范围为 ±24 V。

技巧 5. 了解直流阻断器的缺点

直流阻断器是一种专用的大电容，可以插入到信号与示波器输入端之间。直流阻断器的用途是阻断或去除信号中较大的直流分量，以便将示波器设置到更灵敏的量程，这一测量原理与前文中关于使用探头偏置的原理是一样的。直流阻断器的缺点在于它除了阻断直流内容之外，还会阻断低频交流内容，例如漂移或电源压缩。图 5 显示了分别使用直流阻断器和具有探头偏置功能的N7020A 电源探头对5 V 直流电源进行测量的比较。从这个例子中，您可以看到使用直流阻断器进行的测量会去除低频电源漂移并可能产生误导。另外，由于直流信息被阻断，测量结果中没有包括这一信息，因此无法通过示波器确定存在电源噪声的直流值。想要获取这个信息，还需要额外使用数字万用表或进行类似的测量。为了说明这一点，图 6 对比了分别使用直流阻断器和具有偏置功能的 N7020A 电源探头对 1.5 V DDR3 电源进行测量的结果。

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