我收到许多关于测量动力轨噪声的问题:我真的需要使用动力轨探头来测量波纹和噪声吗?电源轨道探头是单端，所以这是否意味着我一次只能监控一个电源轨道?还有其他更实惠的选择吗?在这篇博文中，我将回答这些问题。
有很多关于自己做预算调查的帖子。由于各种原因，我不建议这样做，例如结果不确定，缺乏校准和认证数据，以及安全问题。这也是对昂贵工程时间的浪费。因此，我在测试中只考虑现成的探针。
我得到的问题通常与混合信号和特定应用集成电路(ASIC)板有关，因此我将在这里将我们的讨论限制在5 V或更低的电源导轨上，假设我们希望在屏幕上看到直流(DC)电压。这一定义不允许使用直流块，在某些情况下，直流块是提高灵敏度或提高电压的有价值和可行的解决方案。小心，不要超过仪器额定值，即使是直流块。
为了量化和比较解决方案，定义了可以得分和加权的优点数字。为量度动力轨道噪音，适当的指标包括:
- 带宽/平整度
- 共模抑制比(CMRR)
- 动态范围
- 灵敏度
- 信噪比(SNR)
- 直流偏置
- 一般可用性
- 成本
解决方案的摘要如表1所示。数据是用不太完美的固定装置记录的。然而，测量都是使用相同的夹具进行的，包括相同的配电网络(PDN)电缆®(用于电源完整性测试应用的专用互连电缆);这样就可以对性能进行适当的排名。测量中仅包括量镜和TPP1000探头，以供参考。
表1。所有探头测量数据的比较摘要。值得注意的是，TPR4000包括一个1GHz的浏览器探头。添加更高带宽的浏览器探针(如P2105A)可以实现全带宽，但也会提高总成本。
注:
平坦度通常在+/- 1dB范围内，这主要反映了峰值探头。
动态范围由指定的剪切(功率轨探头)、示波器终端额定值或探头终端电阻额定值限制。为每个探针报告最低评级。
噪音
测量每个探头的噪声，包括峰对峰和有效值。测量均在P2104A探头附带的Picotest P2100A-CAL校准板的短方板上进行，如图1所示。
图1。每个探头使用相同的PDN电缆测量噪声，探头在Picotest P2100A-CAL SHORT衬垫上短路。
交流均方根噪声通过除以测量带宽的平方根转换为噪声密度。然后将其转换为噪声数字，或噪声与50欧姆终结者中的噪声之比，单位为dB。这是一个常见的射频优点图，简化了直接比较。
Picotest P2105A时域反射(TDR)探头提供了最低的噪声，但最大偏置电压为1v，限制在最低电压核心轨道上。Tektronix TPR4000和Picotest P2104A-1X探头的噪声几乎是相同的，但P2104A-1X被限制在1v偏置，使其只能用于最低电压的核心导轨。
电源轨探头的最大偏置能力为60 V，几乎可以测量任何电源轨，直到越来越流行的48 VDC轨电压。将我们的讨论保持在5 V或更小，我们可以通过增加衰减来增加1端口探头的偏移能力。增加衰减可以测量更高的电压轨道，但会增加噪声。例如，P2104A-2X探头可用于测量功率轨电压高达2v，但相对于功率轨探头有3.4 dB的噪声惩罚。P2104A-5X探头可以测量高达5 VDC，但相对于电源轨道探头有10 dB的噪声惩罚。虽然这些都是很好的探头，并且被认为是低噪声，但了解所需的噪声下限是很重要的。
带宽和平整度
我也有关于测量带宽的问题。这真的取决于电源轨道上的设备。许多现场可编程门阵列(fpga)包含重要的包过滤，而有些则没有。这些更高功率的设备通常最多被限制在几百MHz。较小的器件，包括超高速互补金属氧化物半导体(UHS CMOS)、SiGe和其他高速器件可以轻松达到几GHz。使用高带宽探头提供了最大的灵活性。一旦我们测量了高带宽的噪声，我们就可以使用频谱图来确定最佳带宽设置。我们希望限制范围带宽，因为这直接导致测量噪声。考虑到动力轨噪声是动态的，我们不能使用平均来清除波形。
如果你不能在示波器上得到光谱内容，降低带宽，直到噪声测量开始减少。
平坦度和带宽是很重要的，因为探头响应的峰值会导致测量过多的噪声，需要额外的设计成本来解决一个不存在的问题。你应该知道你用于电力轨道测量的探针的平整度。
从数据上看，这再次成为动力轨道探测器的有力装备。响应在全带宽上非常平坦，如图2所示的脉冲测试所示。衰减P2104A探头提供更高的带宽，但也可能具有更高的峰值。这些测量的峰值可能是由于夹具。在以后的博客中，我们将进一步探讨这个问题。
图2。采用J2154A TDR提供基于脉冲带宽响应的TPR4000动力轨探头。
灵敏度
对于低于1v的电源轨电压，P2105A TDR探头和P2104A-1X 1端口探头在1mV/div与1.25mV/div相比，灵敏度略好于电源轨探头，因此差异非常小。衰减探头通过衰减来衡量灵敏度，因此在5 X时，最佳灵敏度为5mV/div。
CMRR - J2102B CM变压器可以帮助所有探头测量
这里测试的探针都是单端探针，所以都有接地回路。超过大约10 MHz，根据电缆的不同，电缆本身将提供CMRR。在10mhz以下，通过添加同轴变压器，CMRR性能可以大大提高。在添加Picotest J2102B同轴变压器和不添加Picotest J2102B同轴变压器的情况下，测量TPR4000动力轨探头和P2104A-1X探头的CMRR，如图3所示。同样，探头的测量受到夹具的限制。
图3。带和不带J2102B同轴变压器的CMRR，最大限度地减少了接地回路，提高了多个动力轨探头测量的CMRR。TPR4000上图，P2104A-1X下图。
动态范围/一般可用性
TPR4000动力轨探头的动态范围被指定为1 Vrms，尽管在我的测量中我达到了1.8 V。我会坚持使用规格限制，因为这可能是一个压力过大的问题。P2105A TDR和P2104A-1X探针具有20Vpk/2.3Vrms动态限制。更高的动态范围还允许高保真测量VRM交换节点和栅极电压，如果直流负载不是一个问题。
图4。使用P2104A-1X探针测量5v输入VRM的高保真交换机节点。
图5。使用P2104A-5X探针对12v输入VRM进行高保真测量。可以使用3倍(衰减)探头，并且仍然在允许的RMS额定值内。
TDR和1端口探针的一个显著优点是它们可以用于其他目的和与其他仪器一起使用。例如，在使用矢量网络分析仪(VNA)的2端口分流配置中，两个1端口探头可用于测量非常低的PDN阻抗。1端口探头可与信号源分析仪一起使用，用于测量噪声密度，并与信号发生器一起使用，将噪声注入PCB中，用于抖动故障排除。本分析中使用的泰克MSO6示波器可以执行所有这些测量。
成本
动力轨道探头当然比TDR或1端口探头更贵，尽管这可能是误导。虽然1端口探头不太昂贵，但大多数工程师都希望通过几种衰减来支持不同的电压范围，从而获得最佳性能。
结论
仅基于噪声和带宽，P2105A TDR探头为1v或更低的电源导轨提供了最佳性能，并允许更高的动态范围。高达1.8 V, TPR4000提供3db低噪音，而P2104A-2X提供更大的动态范围，以较低的成本。图6中的截图显示了使用TPR4000和P2104A-2X的LTC3315B EVAL板1.8 V输出上的电压纹波峰值。虽然P2104A-2X的噪声比功率轨探头高出3 dB多一点，但测量结果和保真度几乎相同。为了不限制带宽，电源轨探头使用P2105A TDR探头作为浏览器。
图6。LTC3315B 1.8 V输出纹波峰值，使用P2104A-2X和TPR4000测量，使用P2105A浏览器探头。
对于大多数工程师来说，P2104A-5X将允许测量高达12 V标称交换节点，具有非常好的性能，同时测量高达5 VDC的电源导轨。专注于数字核心轨道的工程师可能会发现P2104A-2X或P2104A-3X探头是很好的第一探头，因为这将允许分别测量1.8 V到2.5 V的电源轨道，任何探头都可以测量5 V的交换节点和PDN阻抗。
专注于1v及更低核心电源的工程师将从P2105A TDR探头获得最佳的噪声和带宽。
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