紋波小信號測試方法分析

王天友

（北京鐵路信號有限公司，北京 102613）

1 紋波與噪聲

1.1 紋波的產(chǎn)生與描述

開關(guān)電源設(shè)計電路中脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號或開關(guān)器件（如雙極性晶體管及金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOS管）等）控制通道的開啟與閉合過程中，開關(guān)電源功能模塊中的儲能電感兩端的漸變電流及儲能電容兩端的漸變電壓同步進(jìn)行充放電并疊加在輸出端。由于不存在完美的后級濾波，這就造成輸出直流分量上疊加了穩(wěn)定頻率的波動電壓，就是所謂的直流開關(guān)電源的紋波。紋波頻率的大小與開關(guān)電源中開關(guān)信號的頻率保持一致，一般頻率保持在幾十到幾百 kHz的低頻領(lǐng)域。紋波幅值的大小與開關(guān)電源模塊設(shè)計采用的電容容量和其等效串聯(lián)電阻有關(guān)聯(lián)，其大小可用峰-峰值描述，一般保持在輸出直流電壓的3%以內(nèi)，具體需要看電源電路設(shè)計的實現(xiàn)效果。

1.2 噪聲的產(chǎn)生與描述

噪聲是伴隨著紋波產(chǎn)生的。開關(guān)器件工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)時，對應(yīng)電壓的開啟與關(guān)閉，與此同時，就會產(chǎn)生一個與開關(guān)器件的上升時間及下降時間相同頻率的更高奇次倍頻的雜波，雜波頻率比較復(fù)雜一般為幾十MHz，這就是噪聲。同樣在開關(guān)電源電路中使用的續(xù)流二極管在反向恢復(fù)進(jìn)行回路續(xù)流的瞬間，續(xù)流二極管可等效為電感、電容和電阻的串聯(lián)電路，此時可能會引起電源電路的諧振產(chǎn)生，并產(chǎn)生頻率高達(dá)幾十MHz的高頻噪聲。上述兩種噪聲，它們的電壓幅值通常要比電源紋波本身幅值大的多，但是能量卻相對較小。噪聲的大小也可用峰-峰值表示，通常保持在設(shè)計的直流輸出電壓的5%以內(nèi)。

1.3 紋波的危害

紋波電壓過大會造成一定的危害，比如在電路中產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的高頻諧波，進(jìn)而會產(chǎn)生更多、更隱蔽的危害；由于集成電路芯片工作電壓越來越低，較強(qiáng)的紋波會對芯片造成浪涌沖擊危害，導(dǎo)致其工作不穩(wěn)定甚至燒毀；干擾其他電路間正在高速傳輸?shù)倪壿嬯P(guān)系與信號，使圖像顯示裝置、聲音播放裝置或其傳輸?shù)男畔⑹艿礁蓴_，影響正常圖像及聲音質(zhì)量等。因此較大紋波的消減是必要的，但前提是這些紋波小信號需要被正確的測量到。

2 示波器設(shè)置及探頭選擇

2.1 探頭工作原理分析

紋波小信號檢測儀器為示波器。對應(yīng)探頭目前主要分為以無源低壓示波器探頭及無源高壓示波器探頭等種類為主的無源探頭和以有源單端探頭及有源差分探頭等種類為主的有源探頭。兩者的區(qū)別是無源類無需供電，有源類需要進(jìn)行供電才能工作。

由于紋波小信號電壓屬于低壓范疇，因此本文將討論常見的以1：1為輸入比例和以10：1為輸入比例的無源低壓探頭及主要測量低壓小信號的有源探頭。

對于衰減比例為10：1的無源探頭，其內(nèi)部電路原理中包含等效9 MΩ的輸入阻抗，此時需要將示波器的輸入阻抗設(shè)置為高阻1 MΩ作為匹配。此時探頭內(nèi)部電路加上示波器內(nèi)部的串聯(lián)總阻抗為10 MΩ，示波器內(nèi)部得到的電壓將會是串聯(lián)總線路上分壓得到的十分之一，如圖1所示。隨后示波器內(nèi)部再通過理論計算將測試到電壓幅值數(shù)字上放大10倍進(jìn)行等效還原。

圖1 衰減比10：1無源探頭結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structure principle of passive probe with attenuation ratio of 10:1

無源探頭因為其具有10 MΩ的輸入阻抗，故它對待測電路的負(fù)載效應(yīng)干擾較小，能覆蓋一般被測的低頻頻段，其耐壓能力也強(qiáng)，加之結(jié)構(gòu)簡單、通用性及兼容性強(qiáng)，所以在測試領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。探頭的負(fù)載效應(yīng)通常指當(dāng)待測電路接上探頭后，示波器內(nèi)部電路及探頭電路串聯(lián)進(jìn)一步形成了被測電路的并聯(lián)電路。原被測電路中的一小部分電流被這部分并聯(lián)電路通過分流進(jìn)入到示波器內(nèi)部。如果分流量比較大，則將對原始被測電路上的電路信號產(chǎn)生顯著影響。如果不適當(dāng)?shù)卦斐珊艽蟮呢?fù)載效應(yīng)，那么示波器上顯示的波形相較于真實波形變化大。此外該種探頭同時將示波器內(nèi)部底噪也進(jìn)行放大，導(dǎo)致測到的誤差也更大，故不適用于測試紋波小信號。

對于衰減比例為1：1的無源示波器探頭，其采集測量到的微波信號未經(jīng)衰減就直接經(jīng)過同軸傳輸線傳至示波器內(nèi)部，示波器內(nèi)部底噪不會被同步計算放大就直接顯示，測量噪聲引起的誤差更小。它的耐壓相對于高衰減比無源示波器探頭低的多，但它具備了測試低壓小信號的有利條件。但是因為無源探頭這種設(shè)計本身存在著輸入阻抗較低的缺陷，所以當(dāng)測量高輸出阻抗的紋波信號時，探頭的負(fù)載效應(yīng)將會比較明顯，造成測量值誤差偏大。又因為探頭內(nèi)部存在的容抗可以和后端示波器內(nèi)存在的阻抗間接形成低通濾波器，可能對采集到的波形進(jìn)行衰減，將會造成測量值誤差偏小。綜合來講，這種探頭更適用于測量較低輸出阻抗及頻率的開關(guān)電源電路紋波小信號。

有源探頭需要提供額外的電壓才能使內(nèi)部放大電路正常工作，即其最大區(qū)別就是“有源”。目前市場上絕大多數(shù)有源探頭都配備有特殊的專業(yè)接口，以方便從示波器內(nèi)部直接獲得電壓供探頭內(nèi)部前端級的放大器使用。采集到的紋波小信號經(jīng)過放大器穩(wěn)定后再通過阻抗為50 Ω的同軸電纜進(jìn)入示波器內(nèi)部，同樣示波器的輸入阻抗需要設(shè)置為50 Ω完成阻抗匹配。由于有源單端探頭通常具有較高阻抗和較低的寄生電容，故可以被設(shè)計出極高的帶寬，因此它們主要在高頻信號的測量領(lǐng)域（G級帶寬）內(nèi)被廣泛使用。使用有源單端探頭的好處是可以測量到極高帶寬頻段，然而因為需要在探頭內(nèi)部集成放大電路，故其設(shè)計及制造成本相對于無源探頭會更高，有的價格可達(dá)萬元級。除價格外，高帶寬放大器的信號輸入范圍很小，所以它的動態(tài)范圍通常被限制在僅幾伏范圍之內(nèi)，整個探頭所能承受的最大電壓也只有幾十 V，操作或設(shè)置不當(dāng)會造成探頭內(nèi)部電路故障。

有源差分探頭使用差分放大器來專門測試差分信號，即利用其具有較高的共模抑制比及對共模噪聲較強(qiáng)的抑制能力，來測試差分信號（一對具有不同相位差及電壓差信號，忽略地信號的影響），如圖2所示。

圖2 有源差分探頭結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Structure principle of active differential probe

2.2 示波器的設(shè)置

耦合設(shè)置：示波器耦合常見方式包含直流耦合方式和交流耦合方式，此外高端示波器還有低頻耦合和高頻耦合方式等?？梢詫⑹静ㄆ鱕軸檔位調(diào)小，利于進(jìn)行紋波小信號的觀察，從而忽略開關(guān)電源的直流輸出及降低對電壓敏感的探頭損壞的概率。

帶寬設(shè)置：帶寬限制應(yīng)被設(shè)置到20 MHz，以降低測試探頭拾取到存在于電源產(chǎn)生及測試環(huán)境的高頻噪聲及干擾，來盡量保證真正紋波信號本身測量結(jié)果的精準(zhǔn)。紋波頻率通常低于1 MHz，此時示波器設(shè)置的20 MHz帶寬仍滿足測試需求。

輸入阻抗設(shè)置：示波器測量通道阻抗設(shè)置只有1 MΩ與50 Ω兩種，但使用無源探頭時，須采用1 MΩ進(jìn)行匹配。

探頭衰減比例調(diào)節(jié)：衰減比例10：1的探頭雖然提升了測試帶寬，但是對于紋波小信號的測量造成更多的干擾。因為被測紋波小信號幅度本身就小，再衰減10倍將會淹沒在示波器的底噪中，即使后期示波器再做10倍的數(shù)學(xué)放大，對于信噪比本身也是沒有絲毫優(yōu)化及改善。故對于紋波小信號的測量應(yīng)采用1：1的探頭。

探頭接入方法：測試中應(yīng)該使用原裝測試專用短針或者接地彈簧針保證地線環(huán)路小。由于整個紋波小信號測試環(huán)路比較大，會引入更多的空間電磁輻射噪聲、地環(huán)路噪聲及較多的EMI輻射噪聲等進(jìn)入到探頭的采集信號回路中，如圖3所示，將導(dǎo)致顯示的紋波包含其他噪聲信號的成分，致使測試誤差增大。所以要盡可能減小探頭探測點的間距，來減小環(huán)路面積及干擾。

圖3 探頭環(huán)路形成的空間電磁場環(huán)路Fig.3 Interspace electromagnetic field loop formed by probe loop

3 新探頭的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)傳輸線基礎(chǔ)理論，當(dāng)電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種傳輸介質(zhì)時，會在臨界面發(fā)生反射或折射，反射信號VL與入射信號VI的幅值之比，即反射系數(shù)ρ與前端阻抗Z0和后端阻抗ZL遵循以下公式。

當(dāng)傳輸線終端為開路時，也就是阻抗ZL相比于Z0為無窮大，那么反射系數(shù)ρ可近似為1，這就是說在開路處，形成了大小相同方向相反的反射波。

基于以上分析，可針對無源探頭的核心電路設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化：采用50 Ω高精密無感線繞電阻置于前端，其后接50 Ω阻抗的同軸屏蔽線纜，此時被測微波將會在兩者上等分壓。由于等分壓的微波在50 Ω阻抗同軸線纜傳輸過程中遇到的阻抗處處相同，波形將不再衰減，一直傳導(dǎo)至示波器BNC型接口處。將示波器設(shè)置為1 MΩ輸入阻抗，當(dāng)?shù)确謮旱奈⒉úㄐ蔚竭_(dá)示波器1 MΩ阻抗器件表面（即由低阻抗分布集總元件進(jìn)入高阻值分立元件）時，利用被測微波在其接觸表面發(fā)生全反射的微波傳導(dǎo)特性，其等分壓的波形與全反射的波形會進(jìn)行幅值疊加，恢復(fù)至原始輸入波形的幅值。微波在整個探頭線上的傳輸幾乎無損，輸入即輸出。具體電路原理如圖4所示。

圖4 新探頭優(yōu)化測試原理Fig.4 Schematic diagram of optimization test of new probe

經(jīng)過重新優(yōu)化設(shè)計的無源探頭同時具備易制作、價格低的優(yōu)勢和極小空間電磁場探測環(huán)路面積的特點，其構(gòu)造如圖5所示。

圖5 新探頭結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure diagram of new probe

4 測試效果

在同樣測試環(huán)境下，依據(jù)以上原理及結(jié)構(gòu)制作出的新探頭與是德科技高端N2873A型無源探頭測試出的紋波波形進(jìn)行對比，其波形如圖6、7所示，可明顯看出新探頭測量到的噪聲及干擾值相對更小。

圖6 是德科技N2873A型無源探頭紋波測試結(jié)果Fig.6 Ripple test results of KEYSIGHT N2873A passive probe

圖7 新式探頭紋波小信號測試結(jié)果Fig.7 Test results of ripple small signal of new probe

同一產(chǎn)品在同一測試環(huán)境下紋波的值應(yīng)是固定的，可用噪聲及干擾的誤差值除以整個紋波測量值的百分比作為參考，分別使用泰克P2220型號、是德科技N2873A型號及新結(jié)構(gòu)探頭，對7組常見電源模塊進(jìn)行紋波測試。其紋波測試結(jié)果、新探頭的噪聲及干擾與對應(yīng)紋波測試值的百分比結(jié)果如表1所示。

從表1可得出，新結(jié)構(gòu)探頭測到的紋波值優(yōu)于所對比的示波器成品探頭，并且其噪聲占紋波波形比例平均為11%，和專業(yè)電源紋波探頭，比如是德科技的N7020A型電源軌探頭（該探頭具有1:1 衰減比，低直流負(fù)載效應(yīng)，僅使示波器的本底噪聲增加10%的優(yōu)點）的部分性能相當(dāng)，但后者價格卻昂貴很多，因此新結(jié)構(gòu)探頭有更加實用及易普及的獨到優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

通過合理、科學(xué)的示波器設(shè)置及探頭選擇，可為紋波微弱等低頻小信號的測試提供更精準(zhǔn)的測試測量方法，減少測量干擾和誤差，更能準(zhǔn)確地反應(yīng)出真實被測低頻小信號的大小，為紋波小信號測試提供新的思路及方法。