電源噪聲測量中的陷阱分析之RF干擾

2019-06-10 來源:微波射頻網 我要評論(0) 字號:

當前的電路和系統使用1.2V甚至更低的供電電壓運行,即使電壓的微小變化也會產生誤碼、抖動、錯誤切換以及與瞬態相關的問題,難以解決。

測量供電電壓上的噪聲似乎是一項非常簡單的任務。然而,有一些基本的陷阱可能會導致測量錯誤,甚至是徹底的奇怪結果。讓我們來看看其中一個挑戰:RF干擾。我們將展示RF干擾對電源測量的影響,然后我們將展示一種有效的減輕這種影響的方法。

但在我們討論這個問題之前,讓我們暫時退一步。了解示波器的功能(和限制)始終很重要,因為有了這些知識,可以更好地預測產生的測量結果。

如果我們談論測量噪聲,特別是測試低電平信號時,我們真正想知道的是示波器的本底噪聲。前端放大器產生多少固有噪音?

圖1、力科HDO8108A的噪音極低,約為145μV

以力科的HDO8108A示波器(圖1)為例,該示波器提供1 GHz的帶寬,8個模擬輸入通道和12位垂直分辨率。它也恰好是我們接下來用于測量演示的工具。可以通過簡單地將輸入通道接地來觀察儀器的內部放大器噪聲,結果如圖2所示,受益于HDO的垂直分辨率,我們可以獲得非常精確的測量結果。

圖2、顯示了HDO8108A固有放大器噪聲

還要記住,有多種方式可以用來度量噪聲測量:RMS值和標準偏差(圖3),前者包含任何的DC偏置,而后者在計算RMS之前從每個測量電壓中減去平均值(平方和的平方根),因此,標準偏差是噪聲變化的更真實的度量。

圖3、噪聲測量可以RMS或標準偏差來度量

從圖3中得知圖2中測試到的示波器本底噪聲的標準偏差是145 μV, 現在我們已經了解了HDO8108A在噪聲測量方面的能力。

現在,讓我們做一個最簡單的電源電壓測量實驗:1.5 V電池。考慮到電池內發生的電化學反應,以及由于探測引起的一點電流消耗,我們預測電壓可能會上會有一些噪聲。因此,我們將電池放在一個盒子中,將引線連接到它,然后將它們連接到示波器中,至少可以說,顯示屏上的內容令人驚訝(圖4)。

圖4、1.5 V電池的初始測量結果

在圖4的頂部是測量到的電池噪聲(粉紅色,Ch2),下面是作參考的示波器基底噪聲(黃色,Ch1),兩者使用相同的垂直標度,可以看到電池電壓噪聲很大,比我們預期的要大很多。測量的平均電壓為1.56 V,3mVsdev噪聲峰峰值為33 mV。

不僅如此,而且噪聲中似乎還有一些相當高頻的成分,并且具有某種周期性。我們將示波器的水平時基設置為20μV/ div,檢查采樣率,設置為最大10 GS / s。確保可以捕獲示波器可以捕獲的所有高頻信息。

使用HDO8108A的頻譜分析功能,我們可以進行一致性檢驗,即在頻域中查看此信號(圖5)。從頂部的全頻譜圖可以看出,噪聲頻帶確實是非常寬,到了示波器的1 GHz全帶寬,而且沒有任何消失的跡象。

圖5、電池電壓測量的頻譜分析圖

在圖5的底部是頻譜的前100 MHz的放大圖,噪聲中有明顯的峰值,奇怪的是,它幾乎從15 MHz開始,接著是30 MHz,45 MHz,依此類推,這無疑是電池信號上的人為RF噪聲。

還要注意,頻譜分析顯示出的奇怪現象:偶次諧波,這只有在噪聲源失真的情況下才會發生,波形在一個周期內反對稱。因此,我們的噪聲源可能是占空比失真的時鐘,或者其脈沖中的上升和下降時間不同,但是高次諧波比1 / f下降得更慢,噪聲源可能更像是一堆脈沖。

因此,明顯的補救措施是為1.5V電池提供一些屏蔽, 在將其小心地包裹在鋁箔中之后,重復測量,結果發現噪聲頻譜與第一次測量的噪聲頻譜幾乎完全相同。

我們仔細觀察屏蔽電池和外殼,注意一下:只有同軸電纜的中心導體與箔片接觸,同軸電纜的屏蔽層沒有,它是浮著的。當然,只有屏蔽連接到儀器的返回路徑,屏蔽才真正有效。由于這個同軸電纜屏蔽層與電池周圍的箔片斷開,因此RF噪聲不會被屏蔽,將完全被傳輸到信號線。

所以再試一次,這次將同軸電纜的屏蔽層連接到鋁箔上,如圖6底部所示,差異是很明顯的。噪聲從-60 dBm變為-100 dBm,相當于減少了4倍。

圖6、電池電壓的頻譜分析圖(電池已正確屏蔽)

作為最后的確認,將正確屏蔽的電池噪聲與示波器基底噪聲的測量結果進行比較(圖7)。那是Ch1(黃色)是示波器基底噪聲和Ch2(粉紅色)是電池噪聲,它們實際上是相同的,事實上,電池的噪音要低于示波器的本底噪聲。

圖7、示波器本底噪聲(黃色)和屏蔽電池噪聲(粉紅色)幾乎是相同的

那么,如何發現并減少電源測量中的噪聲呢?

當用除屏蔽良好的同軸連接之外的任何東西探測低電平信號時,都會遇到RF干擾。任何與DUT屏蔽分開的裸露導體都會像天線一樣。

而且,RF干擾通常具有寬帶性質,為了最大限度地減少這個方面的影響,希望我們的探針前端盡可能設計成像同軸電纜一樣,該前端中的任何電感都會降低測量帶寬,并可能導致測量中出現振鈴,但更糟糕的是,將獲得“天線效應”并且探頭將容易接收到RF干擾,因此,希望示波器和DUT之間的連接看起來盡可能像同軸連接。

在測試設計方面,如果可以以微型同軸連接器的形式在測試板上添加測試點,然后將同軸電纜連接到這些點,那么將在很大程度上消除任何RF干擾的可能性。

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主題閱讀: 力科  示波器

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