电源噪声测量中的陷阱之探头负载和带宽

在测量电源噪声中我们会面临各种挑战，包括RF干扰和信噪比（SNR），接下来我们来看如何在测量中实现高带宽，同时最大限度地减少DUT上的电流负载？鉴于DUT是电源轨，我们不希望从它汲取太多电流。但是这两个测量要求是相互矛盾的，它与互连信号的基本特性有关。

假设探头是一根同轴电缆，示波器的输入阻抗设置为1MΩ，利用次探头探测低阻抗的电源，从该电源发射到探头的任何瞬变，则会遇到1MΩ输入阻抗并反射回来，从而引发振铃（图1）。

图1：在低阻抗电源轨和1MΩ输入阻抗之间连接6“长的同轴电缆会在信号采集时产生反射和振铃

在示波器上看到多少振铃取决于同轴电缆的长度与示波器的带宽，如果想将振铃频率推高到超出您的例如1-GHz示波器的带宽限制，那么需要使用的同轴电缆足够短，以至于它听起来不切实际。它需要小于3英寸长。如果你使用仪器的全部带宽，将会看到显示屏上看到明显的振铃误差。

所以为了实用起见，我们会使用更长的同轴电缆。只要示波器的1MΩ输入阻抗与电源轨DUT的阻抗之间存在阻抗不匹配，就会产生反射并因此产生振铃。因此，要想不产生振铃误差，你可以获得的最高带宽可能低于预期。

怎样才能解决这个振铃问题呢？非常简单：在示波器上使用50Ω输入阻抗，这种端接设计用于终止电缆中的反射。

但这里有一个矛盾：如果在示波器上使用50Ω输入端接，则在电源上将包含50Ω负载。如果测量5 V电压轨，这是示波器中的50Ω电阻可以承受的最高电压，它将消耗100 mA，如果电源提供100 A，这不是问题，但如果它是LDO，最大电流为200mA，示波器将消耗一半的裕量。

另一种选择是使用10X衰减探头，它有一个1MΩ的示波器输入，因此不会使电源负载过大。如上所述，10X探头将失去20 dB的SNR。一些工程师在探头前端使用450Ω串联电阻来制作“手工”的10X探头，负载是500Ω，同轴电缆仍然有50Ω终端，所以他们都很高兴。但同样，已经引入了10倍衰减，为了阻抗匹配牺牲了SNR。

使用同轴探针可以测量高带宽，但为此，需要50Ω的负载，但这会使电源负载过大，并且我们无法探测超过5 V的电源。通常，测试和测量都会涉及妥协，在某种程度上，每种测量方案都将决定如何平衡这些要求以获得最有意义的结果。

普科科技PRBTEK在这里提醒工程师们克服这些挑战的方法是使用有源探头，有源电源轨探头在低频时具有高阻抗，因此它们不会使电源轨负载过大，而在50Ω示波器输入终端电阻中引入一个带有隔直电容的并联高通滤波器。此外，有源电源轨探头通常可以承受高达30V的电压，并且能够产生大的偏移。