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【产品应用】泰克TEKTRONIX低噪声纹波探头测量入门TPR4SIAFLEX

【产品应用】泰克TEKTRONIX低噪声纹波探头测量入门TPR4SIAFLEX


当今大多数电子设计都要求不同的供电电压才能正确运行。事实上,一块电路内部许多元器件都要求多种电压,特别是高度集成的片上系统及多种技术接口在一起的微处理器设计。由于许多因素,执行DC 低噪声纹波探头测量正变得越来越困难,比如:

●   功率效率功能,如功率门和动态电压和频率定标或 DVFS

●   动态负载,拥有快速瞬态信号

●   串扰和耦合提高

●   开关稳压器,上升时间更快

这就产生了一个重要问题:面对所有这些挑战,怎样才能保证系统的每个部分都获得正确的功率,来满足其需求?


低噪声图1.png

图1. DC电源噪声的组成成分


首先,我们在整体上看一下低噪声纹波探头及其部分特点。非常重要的一点,是要看一下每条DC线路,看提供的功率是否位于目标系统或器件的容差频段内,包括线路的标称DC 值,以及存在的任何 AC 噪声或耦合。可以进一步细分成宽带噪声、周期性事件和瞬态事件(图1)。所有这三个噪声源都影响着到达器件的功率质量,因此应降低噪声源,以使目标器件能够正确运行。在最大限度地降低这些噪声源之前,您需要能够看到噪声源,并准确地测量噪声源。但低噪声纹波探头测量带来了许多独特的测量挑战,因此必须考虑以下几项因素:

●   带宽要求

●   系统噪声和附加探头噪声

● AC 或 DC 输入耦合的影响

● 低噪声纹波探头负载挑战


低噪声图2.png

图 2. 通道 3(红色轨迹)是在线路上耦合了高频干扰的低噪声纹波探头的曲线。如果这个能量太大,那么其可能会干扰器件 运行或导致损坏


带宽

看一下许多配电设计,测量系统拥有几十MHz 带宽似乎就够了。大多数开关设计的开关频率是几百kHz,最高的可达几MHz。物理设计和器件越大,其运行的供电电压越高,对噪声的灵敏度越低。因此,20MHz 以上的噪声成分几乎不是问题。现在,随着设计尺寸和供电电压缩小,容差也在缩小。我们在分析配电网络时,更多地是把它作为传输线环境来看待,考察的是交叉耦合、线路阻抗和共振区 (图2)。

必需注意,电源转换器件的基础开关频率可能相对较慢,但边沿速度和上升时间一般要快得多,以帮助降低开关损耗。这些边沿和其他干扰源可能会激发配电网络,以高得多的频率产生噪声和谐波。视目标器件和电路功能,更高阶谐波可能会干扰操作。因此,选择的示波器和探头必须拥有足够高的带宽,以查看这些事件,诊断与高频干扰有关的问题。泰克供1   GHz 和4 GHz 低噪声纹波探头,直接满足了这一需求。

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图 3.通过TPR4000和TPR1000的模板化接头和焊接附件,工程师可以为任何选择适当的连接选项


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4. 透过 0402 解耦电容器连接的 TPR4SIAFLEX 焊接转接头


必需指出,大多数点测探头附件一般都会降低系统的额定带宽。例如,飞线方形引脚转接头的有效带宽通常不会超过几百MHz,而在增加夹子和其他辅助连接装置时则会进一步下降。在选择连接方式时,要注意的最后一项是将要进行测试的环境。许多系统验证工程师需要在极端温度下测试其设计。专门设计的极端温度电缆和焊接尖端,比TPR4KITHT自带的电缆和尖端,可以在 -55℃到 +155℃范围内处理器件测试。


管理测量系统和环境噪声

获得基准

随着供电电压变得越来越小,由于工艺形状不断缩小,必须进行低噪声测量,以查看DC 电源上存在的小的方差。此外,许多设计对待功率完整性的态度越来越严肃。其带来的影响之一,是每个电源的容限越来越紧张。为测量这一特点,示波器不仅要有超低噪声,以查看这些事件,而且连接到示波器上的任何探头给测量带来的噪声也应非常小。测量设备增加的噪声越小,看到的信号即器件实际行为的信心也就会越高。对仪器和连接的任何探头进行基准噪声测量,可以让用户了解整体系统噪声性能。简单的测量,比如在没有应用信号时输入上存在的电压的峰峰值和RMS,可以迅速比较探测系统的附加噪声 (图 5)。


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5. 通道 1( 黄色轨迹 ) 是一条没有输入的示波器通道通道2(蓝色轨迹)是输入短路的TPR1000。注意在1GHz 带宽时,探头只给示波器输入增加了17mV的噪声



在低噪声纹波探头测量中使用 10x 无源探头 会产生什么问题?

在查看各种信号时,高衰减探头提供了优秀的动态范围,但由于衰减,与低衰减探头相比,其通常会引入 更多的测量噪声(图 6)。这是因为信号除以衰减系数, 推动着它更接近测量系统的噪底。通过计算信噪比 (SNR) 可以看出来。


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例如,如果我们选择一个 10 mV 的输入,随机噪声指 标是200mV ( 这个指标可以查找示波器产品技术资料上的随机噪声,一般用Vrms 作为单位表示),那么10x 探头的 SNR 是:


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低衰减1.25x 探头的 SNR 则是


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6. 通道 2(蓝色轨迹)显示了传统 10x 无源探头的峰峰值噪声为157.1 mV,在通道1上使用泰克TPR1000低噪声纹探头时的峰峰值噪声则为 38.7 mV(黄色轨迹)


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7. 垂直标度对测得随机噪声的影响。这两条通道都没有连接输入。通道3在 1 mV/div 时的峰峰值噪声为 521.2 mV,通 4 在100mV/div 时的峰峰值噪声为8.953 mV。这比通道 4 上报告的噪声多出来大约17倍。注意,对通道4,8.953mV 到满刻度电压的 1%



选择适当的示波器输入耦合设置

为什么DC 偏置是低噪声纹波探头测量挑战?

许多设计拥有大容量供电电压,会通过各种 DC/DC 转换器滤除获得各种IC 和系统要求的供电电压。一般来说,大容量供电电压要比 IC 需要的电压高出很多倍。例如,汽车会把12 V DC转换成不到1V的供电电压,满足信息娱乐和人身安全系统中的处理器运行需求 (图 8)。


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8. 汽车信息娱乐供电系统示意图


数据中心中通常会通过 12、24 或 48 V DC 电源为服务器供电,然后再在主板上转换成其他供电电压。能够查看链条上从供电输出到IC引脚的每个环节,可以帮助工程师识别从其他电压域传递过来的噪声 (图9)。


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9 服务器供电系统示意图


因如此,选择的探头必需提供足够的偏置,来查看配电网络中测试的所有轨道。这很难实现,因为许多示波器前端根据选择的垂直灵敏度来限制提供的偏置。因此伏特 / 格的设置越低,仪器的偏置越小。( 在上一节中,我们说明了选择正确的垂直灵敏度范围可能会给测量结果带来明显影响。) 高衰减探头通常拥有更多的偏置功能,但如前所示,其拥有的噪声一般要高于低衰减探头。使用示波器AC 耦合可以避免处理DC偏置,其消除了信号的DC 成分,但这也会挡住可能发生的低频事件,比如电压衰落。



使用 DC 耦合模式查看低频事件


如果能够在输入信号中增加足够的DC 偏置,那么DC 耦合可以更完整地查看器件特点,因为 AC 耦合隐藏了低频信息,比如负载变化时的电压线路衰落或缓降 (图10)。低噪声纹波探头采用专门设计,在示波器 / 探头系统中增加足够的偏置范围,在大多数低噪声纹波探头上支持DC 耦合。TPR4000 和 TPR1000 拥有 +/- 60V 的 DC偏置,覆盖了汽车、工业和数据中心应用中的大多数常用标准。


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图10


某些微处理器和功率管理IC 采用节电功能,比如动态频率和电压标度,其会根据工作负载来改变DC供电电压。使用仪器在AC 耦合模式下很难分析这些特点,因为仪器没有显示低频信息 (图11)。


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11. 在频率提高时相应扩大输入电压的器件实例。许多 AC 耦合滤波器会漏掉步进间的 ~2 Hz 频率成分



使负载达到最小


探头阻抗对低噪声纹波探头测量有什么影响


在进行功率完整性测量时,探测低噪声纹波探头的挑战在于选择的探测方法既要能够看到DC 电源上的高频AC成分,又要注意不会给信号的DC部分带来太多负载,以免测量不准确或干扰器件操作。高阻抗探头为DC情况提供了最佳负载,但通常会带来过多的噪声,而且没有必要的带宽来查看关心的高频事件,同时还会给信号带来DC耦合。50Ω 传输线为低噪声纹波探头上的高频信号提供了完美的负载,但承担着DC信号低阻抗分压器的职责。进行低噪声纹波探头测量时使用的理想探头应在DC中提供非常高的电阻,在AC 中提供50Ω传输线。泰克TPR4000和TPR1000 低噪声纹波探头提供了50 kΩ高DC阻抗,并在更高频率时跳变到50Ω。这同时实现了两大优势,避免了其他探测方案的局限性。



小结

随着功率完整性需求不断提高,低噪声纹波探头分析将继续作为工程师使用的一项重要工具。泰克TPR4000 和TPR1000采用专门设计,解决了查看DC电源时面临的独特的测量和连接挑战。这些设备与泰克示波器的捕获和测量功能相结合,为工程师提供了完美的低噪声纹波探头分析工具。




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