纹波小信号测试方法分析

王天友

（北京铁路信号有限公司，北京 102613）

1 纹波与噪声

1.1 纹波的产生与描述

开关电源设计电路中脉冲宽度调制(PWM)信号或开关器件（如双极性晶体管及金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOS管）等）控制通道的开启与闭合过程中，开关电源功能模块中的储能电感两端的渐变电流及储能电容两端的渐变电压同步进行充放电并叠加在输出端。由于不存在完美的后级滤波，这就造成输出直流分量上叠加了稳定频率的波动电压，就是所谓的直流开关电源的纹波。纹波频率的大小与开关电源中开关信号的频率保持一致，一般频率保持在几十到几百 kHz的低频领域。纹波幅值的大小与开关电源模块设计采用的电容容量和其等效串联电阻有关联，其大小可用峰-峰值描述，一般保持在输出直流电压的3%以内，具体需要看电源电路设计的实现效果。

1.2 噪声的产生与描述

噪声是伴随着纹波产生的。开关器件工作在导通和截止状态时，对应电压的开启与关闭，与此同时，就会产生一个与开关器件的上升时间及下降时间相同频率的更高奇次倍频的杂波，杂波频率比较复杂一般为几十MHz，这就是噪声。同样在开关电源电路中使用的续流二极管在反向恢复进行回路续流的瞬间，续流二极管可等效为电感、电容和电阻的串联电路，此时可能会引起电源电路的谐振产生，并产生频率高达几十MHz的高频噪声。上述两种噪声，它们的电压幅值通常要比电源纹波本身幅值大的多，但是能量却相对较小。噪声的大小也可用峰-峰值表示，通常保持在设计的直流输出电压的5%以内。

1.3 纹波的危害

纹波电压过大会造成一定的危害，比如在电路中产生不希望出现的高频谐波，进而会产生更多、更隐蔽的危害；由于集成电路芯片工作电压越来越低，较强的纹波会对芯片造成浪涌冲击危害，导致其工作不稳定甚至烧毁；干扰其他电路间正在高速传输的逻辑关系与信号，使图像显示装置、声音播放装置或其传输的信息受到干扰，影响正常图像及声音质量等。因此较大纹波的消减是必要的，但前提是这些纹波小信号需要被正确的测量到。

2 示波器设置及探头选择

2.1 探头工作原理分析

纹波小信号检测仪器为示波器。对应探头目前主要分为以无源低压示波器探头及无源高压示波器探头等种类为主的无源探头和以有源单端探头及有源差分探头等种类为主的有源探头。两者的区别是无源类无需供电，有源类需要进行供电才能工作。

由于纹波小信号电压属于低压范畴，因此本文将讨论常见的以1：1为输入比例和以10：1为输入比例的无源低压探头及主要测量低压小信号的有源探头。

对于衰减比例为10：1的无源探头，其内部电路原理中包含等效9 MΩ的输入阻抗，此时需要将示波器的输入阻抗设置为高阻1 MΩ作为匹配。此时探头内部电路加上示波器内部的串联总阻抗为10 MΩ，示波器内部得到的电压将会是串联总线路上分压得到的十分之一，如图1所示。随后示波器内部再通过理论计算将测试到电压幅值数字上放大10倍进行等效还原。

图1 衰减比10：1无源探头结构原理Fig.1 Structure principle of passive probe with attenuation ratio of 10:1

无源探头因为其具有10 MΩ的输入阻抗，故它对待测电路的负载效应干扰较小，能覆盖一般被测的低频频段，其耐压能力也强，加之结构简单、通用性及兼容性强，所以在测试领域得到了广泛的应用。探头的负载效应通常指当待测电路接上探头后，示波器内部电路及探头电路串联进一步形成了被测电路的并联电路。原被测电路中的一小部分电流被这部分并联电路通过分流进入到示波器内部。如果分流量比较大，则将对原始被测电路上的电路信号产生显著影响。如果不适当地造成很大的负载效应，那么示波器上显示的波形相较于真实波形变化大。此外该种探头同时将示波器内部底噪也进行放大，导致测到的误差也更大，故不适用于测试纹波小信号。

对于衰减比例为1：1的无源示波器探头，其采集测量到的微波信号未经衰减就直接经过同轴传输线传至示波器内部，示波器内部底噪不会被同步计算放大就直接显示，测量噪声引起的误差更小。它的耐压相对于高衰减比无源示波器探头低的多，但它具备了测试低压小信号的有利条件。但是因为无源探头这种设计本身存在着输入阻抗较低的缺陷，所以当测量高输出阻抗的纹波信号时，探头的负载效应将会比较明显，造成测量值误差偏大。又因为探头内部存在的容抗可以和后端示波器内存在的阻抗间接形成低通滤波器，可能对采集到的波形进行衰减，将会造成测量值误差偏小。综合来讲，这种探头更适用于测量较低输出阻抗及频率的开关电源电路纹波小信号。

有源探头需要提供额外的电压才能使内部放大电路正常工作，即其最大区别就是“有源”。目前市场上绝大多数有源探头都配备有特殊的专业接口，以方便从示波器内部直接获得电压供探头内部前端级的放大器使用。采集到的纹波小信号经过放大器稳定后再通过阻抗为50 Ω的同轴电缆进入示波器内部，同样示波器的输入阻抗需要设置为50 Ω完成阻抗匹配。由于有源单端探头通常具有较高阻抗和较低的寄生电容，故可以被设计出极高的带宽，因此它们主要在高频信号的测量领域（G级带宽）内被广泛使用。使用有源单端探头的好处是可以测量到极高带宽频段，然而因为需要在探头内部集成放大电路，故其设计及制造成本相对于无源探头会更高，有的价格可达万元级。除价格外，高带宽放大器的信号输入范围很小，所以它的动态范围通常被限制在仅几伏范围之内，整个探头所能承受的最大电压也只有几十 V，操作或设置不当会造成探头内部电路故障。

有源差分探头使用差分放大器来专门测试差分信号，即利用其具有较高的共模抑制比及对共模噪声较强的抑制能力，来测试差分信号（一对具有不同相位差及电压差信号，忽略地信号的影响），如图2所示。

图2 有源差分探头结构原理Fig.2 Structure principle of active differential probe

2.2 示波器的设置

耦合设置：示波器耦合常见方式包含直流耦合方式和交流耦合方式，此外高端示波器还有低频耦合和高频耦合方式等。可以将示波器Y轴档位调小，利于进行纹波小信号的观察，从而忽略开关电源的直流输出及降低对电压敏感的探头损坏的概率。

带宽设置：带宽限制应被设置到20 MHz，以降低测试探头拾取到存在于电源产生及测试环境的高频噪声及干扰，来尽量保证真正纹波信号本身测量结果的精准。纹波频率通常低于1 MHz，此时示波器设置的20 MHz带宽仍满足测试需求。

输入阻抗设置：示波器测量通道阻抗设置只有1 MΩ与50 Ω两种，但使用无源探头时，须采用1 MΩ进行匹配。

探头衰减比例调节：衰减比例10：1的探头虽然提升了测试带宽，但是对于纹波小信号的测量造成更多的干扰。因为被测纹波小信号幅度本身就小，再衰减10倍将会淹没在示波器的底噪中，即使后期示波器再做10倍的数学放大，对于信噪比本身也是没有丝毫优化及改善。故对于纹波小信号的测量应采用1：1的探头。

探头接入方法：测试中应该使用原装测试专用短针或者接地弹簧针保证地线环路小。由于整个纹波小信号测试环路比较大，会引入更多的空间电磁辐射噪声、地环路噪声及较多的EMI辐射噪声等进入到探头的采集信号回路中，如图3所示，将导致显示的纹波包含其他噪声信号的成分，致使测试误差增大。所以要尽可能减小探头探测点的间距，来减小环路面积及干扰。

图3 探头环路形成的空间电磁场环路Fig.3 Interspace electromagnetic field loop formed by probe loop

3 新探头的优化设计

根据传输线基础理论，当电磁波从一种介质进入另一种传输介质时，会在临界面发生反射或折射，反射信号VL与入射信号VI的幅值之比，即反射系数ρ与前端阻抗Z0和后端阻抗ZL遵循以下公式。

当传输线终端为开路时，也就是阻抗ZL相比于Z0为无穷大，那么反射系数ρ可近似为1，这就是说在开路处，形成了大小相同方向相反的反射波。

基于以上分析，可针对无源探头的核心电路设计进行优化：采用50 Ω高精密无感线绕电阻置于前端，其后接50 Ω阻抗的同轴屏蔽线缆，此时被测微波将会在两者上等分压。由于等分压的微波在50 Ω阻抗同轴线缆传输过程中遇到的阻抗处处相同，波形将不再衰减，一直传导至示波器BNC型接口处。将示波器设置为1 MΩ输入阻抗，当等分压的微波波形到达示波器1 MΩ阻抗器件表面（即由低阻抗分布集总元件进入高阻值分立元件）时，利用被测微波在其接触表面发生全反射的微波传导特性，其等分压的波形与全反射的波形会进行幅值叠加，恢复至原始输入波形的幅值。微波在整个探头线上的传输几乎无损，输入即输出。具体电路原理如图4所示。

图4 新探头优化测试原理Fig.4 Schematic diagram of optimization test of new probe

经过重新优化设计的无源探头同时具备易制作、价格低的优势和极小空间电磁场探测环路面积的特点，其构造如图5所示。

图5 新探头结构示意Fig.5 Structure diagram of new probe

4 测试效果

在同样测试环境下，依据以上原理及结构制作出的新探头与是德科技高端N2873A型无源探头测试出的纹波波形进行对比，其波形如图6、7所示，可明显看出新探头测量到的噪声及干扰值相对更小。

图6 是德科技N2873A型无源探头纹波测试结果Fig.6 Ripple test results of KEYSIGHT N2873A passive probe

图7 新式探头纹波小信号测试结果Fig.7 Test results of ripple small signal of new probe

同一产品在同一测试环境下纹波的值应是固定的，可用噪声及干扰的误差值除以整个纹波测量值的百分比作为参考，分别使用泰克P2220型号、是德科技N2873A型号及新结构探头，对7组常见电源模块进行纹波测试。其纹波测试结果、新探头的噪声及干扰与对应纹波测试值的百分比结果如表1所示。

从表1可得出，新结构探头测到的纹波值优于所对比的示波器成品探头，并且其噪声占纹波波形比例平均为11%，和专业电源纹波探头，比如是德科技的N7020A型电源轨探头（该探头具有1:1 衰减比，低直流负载效应，仅使示波器的本底噪声增加10%的优点）的部分性能相当，但后者价格却昂贵很多，因此新结构探头有更加实用及易普及的独到优势。

5 结束语

通过合理、科学的示波器设置及探头选择，可为纹波微弱等低频小信号的测试提供更精准的测试测量方法，减少测量干扰和误差，更能准确地反应出真实被测低频小信号的大小，为纹波小信号测试提供新的思路及方法。