美国力科自制电源轨测量探头-云帆兴烨

在测试带宽低于10MHz且电压灵敏度高于100mV的信号时，无论信号类型或源阻抗如何，传统的美国力科10x无源探头都是很好的选择。但是，对于带宽>10MHz和电压灵敏度 <100mV的信号，10x无源探头可能不是最佳选择。

在本文中，我们将介绍一种简单、易于实现且低成本的替代 10x 无源探头的方式，专门用于电源轨测量。

与普通信号相比，电源轨特有的六个特征，使得对他们的测试面临不同的挑战:

• 开关电源会发出较大的近场 RF噪声

• 电源轨的输出阻抗可能小于 1 Ω

• 可能存在较大的 DC 偏置

• 感兴趣的信号可能小至 10 mV

• 对于低电流电源轨，希望避免引入低的 DC 阻抗负载

• 可能存在带宽 >100 MHz 的快速瞬变

探测低阻抗、快速开关电源的一种替代方法是源串联端接法，它是在 DUT 和同轴线缆连接之间串联一个 50Ω 电阻。然后将同轴线缆连接到示波器的模拟输入端口，选择示波器的 1 MΩ 端接，等效电路模型和简单实现如图 1 所示。

测量高带宽信号时，推荐美国力科示波器输入阻抗设置为50Ω。然而，这不适用于电源轨测试。测量电源轨时，示波器的50Ω输入阻抗会产生两个问题。

一方面，对于示波器的50Ω输入阻抗，可以探测的最大电压通常约为5V，更高的电压会在50Ω电阻器中消耗过多功率，可能损坏示波器。

另一方面，示波器50Ω输入阻抗会向DUT引入较低的直流负载。如果DUT是3V电压源，则 50Ω 负载将消耗约 60mA电流。如果 DUT可以提供100A电流，则探头消耗的60mA电流是可以忽略不计的。但是，如果DUT是100mA低压差(LDO)电源，则被探头消耗的60mA电流将极大地影响LDO电源的性能。

因此，我们必须选择美国力科示波器的1MΩ输入端接。一方面，这可以测量±40V的电压范围，而直流电流消耗可忽略不计。另一方面，当用同轴电缆直接连接探测低阻抗源时，美国力科示波器的1MΩ输入端接会在快速瞬态边沿产生大量反射。等效电路如图 2 所示。

初始瞬变信号从低阻抗源进入同轴电缆后，沿同轴电缆传输到示波器的 1MΩ输入端接。从那里，它反射回源头。当它再次达到源的低阻抗时，信号极性变化并再次发生反射，反射信号进入示波器并将输入信号拉低，然后反射再次重复发生。最终结果是在示波器看到出现比较大振铃的信号。

这个问题的解决方法是：向DUT 添加一个50Ω源串联端接。结果就是，一半的电源电压被发送到同轴电缆，到达示波器的1MΩ输入终端并反射回来。示波器测得的初始电压是发射电压的 2 倍，正好等于源电压。

当反射信号到达源时，它会看到与低阻抗源串联的50Ω电阻器，只要源阻抗小于 5Ω，实际上就没有反射并且反射被终止。

在图 3 所示的示例中，具有0.1Ω源阻抗的5V开关电源 (SMPS)以几纳秒的上升时间开启，左侧是在示波器设置为1MΩ输入端接的情况下测量的，多次反射清晰可见。右侧是将50Ω源串联电阻添加到同轴电缆末端，防止多次反射。

这种在同轴电缆末端添加50Ω源串联电阻的简单方法是在高带宽下探测电源轨的低成本替代方案，是10x探头的替代方法，作为1x探头还具有不会衰减信号的优势。