低噪声电源完整性测量 - 使用 MXO58 示波器进行有效探测的指南

在这篇博客中，我们将研究使用Rohde & Schwarz （R&S） MXO 5示波器的各种探测解决方案的噪声性能。目标是了解如何实现从被测器件 （DUT） 到示波器的最佳低噪声解决方案。

 

 

 

在采集信号时，传统上，我们会考虑示波器的带宽、动态范围以及对信号进行低噪声测量所需的其他一些特性。

 

 

 

然而，人们很容易忘记查看示波器和 DUT 之间的信号链的重要性。如果您的探测解决方案不具备当今电源完整性测量所需的动态范围或足够低的噪声性能，那么高带宽示波器就毫无价值。

 

 

 

随着电压一致性要求越来越低和严格，了解探测解决方案的噪声影响对于在负载点或系统中任何位置进行良好的电压纹波测量以评估性能（包括合规性）至关重要。

 

 

 

Signal Edge Solutions 是一家非常重视电源完整性测量的公司，这就是我们与 Picotest 合作销售其产品的原因。因此，我们想使用各种浏览器探头解决方案和新的 MXO 5 示波器来探索测量过程中噪声的影响。MXO 5 示波器是 Rohde & Schwarz 的最新示波器平台。这款强大的示波器具有许多令人兴奋的新特性和功能，并提供 2GHz 带宽选项。

 

 

 

图 1 显示了德州仪器 （TI） 的 TPS7H4003 评估板作为探索该主题的 DUT。TPS7H4003 是一款配置为 1V 输出的耐辐射降压转换器。显示的所有测量值均采用 5Vin 和 2A 负载。

 

 

 

 

图 1 - 德州仪器 （TI） TPS7H4003 EVM [1]

 

 

 

图 2 描述了所使用的测量设置，其中仅交换了探测解决方案。MXO58 示波器的带宽设置为 350 MHz，探头端接也针对每个被评估的探头进行适当设置。

 

 

 

 

图 2 - 具有 2A 直流负载的 TPS7H4003 EVM 上的电压纹波测量设置

 

 

 

由于我们使用的是 MXO 5，因此我们将评估用于这些测量的两种 R&S 探测解决方案和一种 Picotest 测头解决方案。评估的三个探头是 R&S RT-ZP11、R&S ZPR20 电源轨探头和 Picotest P2104A-1X 探头。如图 3 所示，所有三个探头都放置在同一个测量点上，该测量点是一个未填充的电容器 （C23）。

 

 

 

图 4、5 和 6 分别描述了 RT-ZP11、ZPR20 和 P2104A-1X 探头在TPS7H4003输出端的电压响应。需要注意的是，RT-ZP11 的高探头阻抗 （10 MOhm） 极大地限制了测量装置的动态范围。如图 4 所示，垂直范围设置为绝对最大 MXO 5;同样，这是因为 RT-ZP11 是 10X 探头。这意味着，由于 10 MΩ RT-ZP11 探头阻抗，信噪比受到限制，这限制了 MXO 5 的最大信号电平，并阻碍了我们的测量充分利用示波器的动态范围。

 

 

 

 

图 3 - 使用每种探测解决方案在 C23 处的电压纹波测量设置

 

 

 

 

图 4 - 电压纹波测量结果 R&S RT-ZP11 探头

 

 

 

 

图 5 - 电压纹波测量结果 R&S ZPR20 电源轨探头

 

 

 

 

图 6 - 电压纹波测量结果Picotest P2104A 探头

 

 

 

经过初步分析后，Picotest P2104A-1X 探头解决方案通过 MXO 5 提供最低噪声的测量解决方案。这些结果也总结在下面的表 1 中。作为探索的最后想法，我们希望将 P2104A-1X 探头与 R&S®RPZ20 相结合，以评估该测量解决方案的性能。该测量设置如图 7 所示，测量结果如图 8 所示。

 

 

 

 

图 7 - 使用 P2104A 探头的 R&S ZPR20 电压纹波测量设置

 

 

 

 

图 8 - 使用 P2104A 探头的 R&S ZPR20 电压纹波测量结果

 

 

 

尽管本指南侧重于使用 MXO 5 探测解决方案，但我们仍然希望涵盖所有基础，并进行最后一次评估，以探索使用 R&S®ZPR20 的焊接同轴电缆解决方案的噪声性能。这种设置如图 9 所示。焊接的 COAX 解决方案的特写视图如图 3 所示。表 1 中总结的这些结果如图 10 所示。

 

 

 

 

图 9 - 电压纹波测量设置 R&S ZPR20 使用焊接同轴电缆

 

 

 

 

图 10 - 焊接同轴电缆的 R&S ZPR20 的电压纹波测量结果

 

 

 

如表 1 所示，很明显，评估的最佳探测解决方案是 P2104A。P2104A 与 ZPR20 相结合，提供了我们迄今为止评估过的绝对最低噪声解决方案。这种低噪声是由于 Picotest PDN 电缆®上的较高屏蔽层以及 P2104A 探头解决方案的极低探头负载。如果您想进一步改进测量设置，Picotest P2105A 是唯一一款电感和探头负载低于 P2104A 的点测探头。由于 Picotest P2105A 仅提供 1X 衰减解决方案，因此需要与 P2131A 等 Picotest Port Saver 直流模块解决方案（当电压大于 5Vrms 时）结合使用，以保护 MXO 5 示波器的正面。P2105A 还可以与 ZPR20 结合使用，以提供更好的低噪声解决方案，这在本文中没有展示。P2104A 提供多种标准衰减，并且可以进行定制。

 

 

 

表 1 - 电压纹波测量结果摘要

 

探针	电压纹波结果	Voltage Ripple Delta	% 变化
R&S RT-ZP11	19.50 兆伏峰值	不适用	不适用
R&S ZPR20	12.43 兆伏-峰-峰	7.07 毫伏	RT-ZP11 为 36.3%
皮秒 P2104A-1X	10.4 兆伏峰值	2.03 mV 至 ZPR20 w/ZA-25/ 9.1 mV 至 RT-ZP11	16.33% 至 ZPR20 w/ZA-25/ RT-ZP11 的 46.67%
R&S ZPR20 带焊接同轴电缆	11.4 毫伏峰值	1.03 mV 至 ZPR20 w/ZA-25/ 8.1 mV 至 RT-ZP11/	8.3% 至 ZPR20 w/ZA-25/ 41.53 至 RT-ZP11
配备 R&S ZPR20 的 Picotest P2104A-1X	10.08 兆伏峰值	2.35 mV 至 ZPR20 w/ZA-25 / 9.1 mV 至 RT-ZP11/ 0.32 mV 至仅 P2104A	18.9% 至 ZPR20 w/ZA-25/ RT-ZP48.3% 11/ 仅 P2104A 的 3%

 

 

 

总结

 

 

 

正确很重要！P2104A-1X 探头提供了一种非常高保真度和可靠的低噪声信号测量方法。此处显示的结果表明，这种浏览器探针甚至是一种比焊接 COAX 解决方案更好的低噪声解决方案。事实上，这是一个浏览器探头，这使得它成为一种更容易通过焊接 COAX 实现的测量解决方案。P2104A 探头与 Rohde & Schwarz ZPR20 电源轨解决方案相结合，为 MXO 5 提供了绝对最佳的低噪声测量解决方案。将 ZPR20 与 P2104A-1X 探头一起使用的好处是，工程师现在可以利用 ZPR20 内置的高精度直流电压表功能。此外，ZPR20 具有 +/-60V 偏移补偿，将其与 P2104A-1X 或 P2105A 等 50 欧姆探头相结合，提供最高的信噪比 （SNR） 和动态范围。

 

 

 

简而言之，单端 50 欧姆浏览器探头是无可替代的。单端 50 欧姆探头类似于从 DUT 到示波器的直接测量同轴电缆连接。这也意味着，如果在同一 DUT 上同时进行多次测量，则存在接地回路，并且应将同轴变压器 （J2102B） 添加到您的测量设置中。要了解有关使用 MXO 5 示波器改善测量结果的更多信息，请通过下面的链接查看我们的商店。

 

 

 

引用

 

 

 

1. TPS7H4003EVM 评估板 | TI.com

2. Picotest P2104A 1 端口传输线 PDN 探头 |Signal Edge 解决方案 （signaledgesolutions.com)

3. RT-ZP11 - 用于示波器的无源探头 |Rohde & Schwarz （rohde-schwarz.com)

4. R&S ZPR20 - 用于示波器的电源轨探头 |Rohde & Schwarz （rohde-schwarz.com)

5. R&S®MXO 5 示波器 |Rohde & Schwarz （rohde-schwarz.com)

6. Picotest P2105A 1 端口低噪声 TDR - Ripple 点测探头 |Signal Edge 解决方案 （signaledgesolutions.com)

7. Picotest 端口保护器 – 仪器保护 DC 模块 |Signal Edge 解决方案 （signaledgesolutions.com)

8. Picotest PDN 电缆 |Signal Edge 解决方案 （signaledgesolutions.com)

9. Picotest J2102B 共模变压器 |Signal Edge 解决方案 （signaledgesolutions.com)

10. 什么是电源完整性？（signaledgesolutions.com)

11. 终极电源噪声测量 |S. 桑德勒 |信号完整性日志 |2022 年 5 月