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[经验] 如何发现并减少电源测量中的噪声?

2019-10-9 08:00:00  632 电源 噪声
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当前的电路和系统使用1.2V甚至更低的供电电压运行,即使电压的微小变化也会产生误码、抖动、错误切换以及与瞬态相关的问题,难以解决。

测量供电电压上的噪声似乎是一项非常简单的任务。然而,有一些基本的陷阱可能会导致测量错误,甚至是彻底的奇怪结果。让我们来看看其中一个挑战:RF干扰。我们将展示RF干扰对电源测量的影响,然后我们将展示一种有效的减轻这种影响的方法。

但在我们讨论这个问题之前,让我们暂时退一步。了解示波器的功能(和限制)始终很重要,因为有了这些知识,可以更好地预测产生的测量结果。

如果我们谈论测量噪声,特别是测试低电平信号时,我们真正想知道的是示波器的本底噪声。前端放大器产生多少固有噪音


图1、力科HDO8108A的噪音极低,约为145μV

以力科的HDO8108A示波器(图1)为例,该示波器提供1 GHz的带宽,8个模拟输入通道和12位垂直分辨率。它也恰好是我们接下来用于测量演示的工具。可以通过简单地将输入通道接地来观察仪器的内部放大器噪声,结果如图2所示,受益于HDO的垂直分辨率,我们可以获得非常精确的测量结果。


图2、显示了HDO8108A固有放大器噪声

还要记住,有多种方式可以用来度量噪声测量:RMS值和标准偏差(图3),前者包含任何的DC偏置,而后者在计算RMS之前从每个测量电压中减去平均值(平方和的平方根),因此,标准偏差是噪声变化的更真实的度量。


图3、噪声测量可以RMS或标准偏差来度量

从图3中得知图2中测试到的示波器本底噪声的标准偏差是145 μV, 现在我们已经了解了HDO8108A在噪声测量方面的能力。

现在,让我们做一个最简单的电源电压测量实验:1.5 V电池。考虑到电池内发生的电化学反应,以及由于探测引起的一点电流消耗,我们预测电压可能会上会有一些噪声。因此,我们将电池放在一个盒子中,将引线连接到它,然后将它们连接到示波器中,至少可以说,显示屏上的内容令人惊讶(图4)。


图4、1.5 V电池的初始测量结果

在图4的顶部是测量到的电池噪声(粉红色,Ch2),下面是作参考的示波器基底噪声(黄色,Ch1),两者使用相同的垂直标度,可以看到电池电压噪声很大,比我们预期的要大很多。测量的平均电压为1.56 V,3mVsdev噪声峰峰值为33 mV。

不仅如此,而且噪声中似乎还有一些相当高频的成分,并且具有某种周期性。我们将示波器的水平时基设置为20μV/ div,检查采样率,设置为最大10 GS / s。确保可以捕获示波器可以捕获的所有高频信息。

使用HDO8108A的频谱分析功能,我们可以进行一致性检验,即在频域中查看此信号(图5)。从顶部的全频谱图可以看出,噪声频带确实是非常宽,到了示波器的1 GHz全带宽,而且没有任何消失的迹象。


图5、电池电压测量的频谱分析图

在图5的底部是频谱的前100 MHz的放大图,噪声中有明显的峰值,奇怪的是,它几乎从15 MHz开始,接着是30 MHz,45 MHz,依此类推,这无疑是电池信号上的人为RF噪声。

还要注意,频谱分析显示出的奇怪现象:偶次谐波,这只有在噪声源失真的情况下才会发生,波形在一个周期内反对称。因此,我们的噪声源可能是占空比失真的时钟,或者其脉冲中的上升和下降时间不同,但是高次谐波比1 / f下降得更慢,噪声源可能更像是一堆脉冲。

因此,明显的补救措施是为1.5V电池提供一些屏蔽, 在将其小心地包裹在铝箔中之后,重复测量,结果发现噪声频谱与第一次测量的噪声频谱几乎完全相同。
我们仔细观察屏蔽电池和外壳,注意一下:只有同轴电缆的中心导体与箔片接触,同轴电缆的屏蔽层没有,它是浮着的。当然,只有屏蔽连接到仪器的返回路径,屏蔽才真正有效。由于这个同轴电缆屏蔽层与电池周围的箔片断开,因此RF噪声不会被屏蔽,将完全被传输到信号线。

所以再试一次,这次将同轴电缆的屏蔽层连接到铝箔上,如图6底部所示,差异是很明显的。噪声从-60 dBm变为-100 dBm,相当于减少了4倍。


图6、电池电压的频谱分析图(电池已正确屏蔽)

作为最后的确认,将正确屏蔽的电池噪声与示波器基底噪声的测量结果进行比较(图7)。那是Ch1(黄色)是示波器基底噪声和Ch2(粉红色)是电池噪声,它们实际上是相同的,事实上,电池的噪音要低于示波器的本底噪声。


图7、示波器本底噪声(黄色)和屏蔽电池噪声(粉红色)几乎是相同的

那么,如何发现并减少电源测量中的噪声呢?

当用除屏蔽良好的同轴连接之外的任何东西探测低电平信号时,都会遇到RF干扰。任何与DUT屏蔽分开的裸露导体都会像天线一样。

而且,RF干扰通常具有宽带性质,为了最大限度地减少这个方面的影响,希望我们的探针前端尽可能设计成像同轴电缆一样,该前端中的任何电感都会降低测量带宽,并可能导致测量中出现振铃,但更糟糕的是,将获得“天线效应”并且探头将容易接收到RF干扰,因此,希望示波器和DUT之间的连接看起来尽可能像同轴连接。

测试设计方面,如果可以以微型同轴连接器的形式在测试板上添加测试点,然后将同轴电缆连接到这些点,那么将在很大程度上消除任何RF干扰的可能性。

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