电源噪声测量的挑战及解决之道

探头的GND和信号的距离过大

在电源噪声测试时，探头的GND和信号两个探测点的距离也非常重要，当两点相距较远时，待测试信号(即电源噪声)的环路较大，由于探测点很靠近高速运行的芯片，近场辐射较大，所以会有很多EMI噪声辐射到探头的信号回路中(如图4所示)，使得示波器测得的波形包括了其它信号分量，导致错误的测试结果。所以要尽量减小探头的信号与地的探测点间距，减小环路面积。

示波器通道的设置

在电源噪声测试中，还存在示波器通道输入阻抗选择的争议。示波器的通道有DC50/DC1M/AC1M三个选项可选。一些工程师认为应该使用1M欧的输入阻抗，另一些认为50欧的输入阻抗更合适。

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。在下面的测试中验证了这一观点。

我们使用了某1G带宽的示波器测量某机顶盒内某芯片的电源噪声，示波器采样率为2.5GS/s，时基为1ms/div，通道带宽为1G，通过ERES函数限制带宽为625MHz，探头为1倍衰减的传输线探头，示波器通道分别设为DC1M和DC50，记录测试数据，图5为DC50加上625M低通滤波器后的电源噪声测试结果，其平均值为21.573mV。表2为改变通道阻抗和带宽的4种组合下的电源噪声以及电源电压均值。

可以看到， 通道阻抗为1M欧、带宽为625MHz时，电源噪声为24.1mV;通道阻抗为50欧、带宽为625MHz时，电源噪声为21.573mV;可见，通道阻抗为1M欧时电源噪声测量结果大于DC50的。 所以，测量电源噪声是需要选择DC50，测量电源的直流电压要选更高阻抗的DC1M。

测试电源噪声时，示波器的采样率建议设置为2Gs/s以上以采集到高频段的噪声。时基设置为1ms/div以上以捕获大于10ms的波形。如果捕获的时间长度不够，则会导致测量结果偏差较大。开关电源系统通常是AC-DC-DC的变换过程。AC源于电网电压，是一种源效应，经过闭环控制后仍然很难消除。电网电压的频率是50Hz，整流之后是100HZ。电源纹波测量应完整地包含100HZ的低频周期。

电源噪声测量的解决之道

考虑到以上几种影响噪声测量的因素，HDO4000示波器加上1：1无源传输线探头，通道阻抗设为DC50是目前最好的测量电源噪声方案。HDO4000为12比特分辨率的高清示波器，能提供更高的分辨率，更小的量化误差，更灵活的偏置电压设置、更低的底噪。

如下图6为HDO4000示波器使用1：1无源探头测量某机顶盒的电源噪声测试结果，可以看到，电源电压为1.27V，其电源噪声峰峰值不超过18.22mV，统计后的平均值为16.2575mV。在图5和表格2中，使用普通8位ADC示波器测量相同电源，得到的电源噪声分别为21.573mV和22.371mV，很可能是由于后者的底噪较大引起的。

同时，使用了示波器独特的频谱分析软件，在频域中实时观察电源噪声的主要来源。从图中左侧的列表中可以看到，噪声频谱的第一个峰值频点为332KHz，应该是板上332KHz的开关电源引入的，该频点的幅度比其他峰值频点大20dB，说明它是噪声的主要来源;另外，还可以看到200MHz的频点，应该是板上200MHz的时钟引入的噪声。

如果使用常规实时示波器测量电源噪声，当垂直刻度调到5mV/div时，偏置电压可能在1V以内，无法测量大于1V的电源，通常，在1：1的无源传输线探头中串联隔直电容，把待测试信号隔直后就可以测量了。这种测试方法的缺点为隔直电容会影响测试结果，选择不同的电容可能有不同的测试结果，增加了测试的不确定性。

对于低电压电源的噪声测试，以下为各种测试方案，排前面的为优选的测试方案。

1，低噪声12位ADC示波器HDO4000 + 1倍衰减无源传输线探头

2，常规8位ADC示波器 + 1倍衰减无源传输线探头

3，常规8位ADC示波器 + 隔直电容 + 1倍衰减无源传输线探头