王天友

（北京鐵路信號(hào)有限公司，北京 102613）

1 紋波與噪聲

1.1 紋波的產(chǎn)生與描述

開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)電路中脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)或開(kāi)關(guān)器件（如雙極性晶體管及金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOS管）等）控制通道的開(kāi)啟與閉合過(guò)程中，開(kāi)關(guān)電源功能模塊中的儲(chǔ)能電感兩端的漸變電流及儲(chǔ)能電容兩端的漸變電壓同步進(jìn)行充放電并疊加在輸出端。由于不存在完美的后級(jí)濾波，這就造成輸出直流分量上疊加了穩(wěn)定頻率的波動(dòng)電壓，就是所謂的直流開(kāi)關(guān)電源的紋波。紋波頻率的大小與開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)信號(hào)的頻率保持一致，一般頻率保持在幾十到幾百 kHz的低頻領(lǐng)域。紋波幅值的大小與開(kāi)關(guān)電源模塊設(shè)計(jì)采用的電容容量和其等效串聯(lián)電阻有關(guān)聯(lián)，其大小可用峰-峰值描述，一般保持在輸出直流電壓的3%以內(nèi)，具體需要看電源電路設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)效果。

1.2 噪聲的產(chǎn)生與描述

噪聲是伴隨著紋波產(chǎn)生的。開(kāi)關(guān)器件工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)電壓的開(kāi)啟與關(guān)閉，與此同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與開(kāi)關(guān)器件的上升時(shí)間及下降時(shí)間相同頻率的更高奇次倍頻的雜波，雜波頻率比較復(fù)雜一般為幾十MHz，這就是噪聲。同樣在開(kāi)關(guān)電源電路中使用的續(xù)流二極管在反向恢復(fù)進(jìn)行回路續(xù)流的瞬間，續(xù)流二極管可等效為電感、電容和電阻的串聯(lián)電路，此時(shí)可能會(huì)引起電源電路的諧振產(chǎn)生，并產(chǎn)生頻率高達(dá)幾十MHz的高頻噪聲。上述兩種噪聲，它們的電壓幅值通常要比電源紋波本身幅值大的多，但是能量卻相對(duì)較小。噪聲的大小也可用峰-峰值表示，通常保持在設(shè)計(jì)的直流輸出電壓的5%以內(nèi)。

1.3 紋波的危害

紋波電壓過(guò)大會(huì)造成一定的危害，比如在電路中產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的高頻諧波，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生更多、更隱蔽的危害；由于集成電路芯片工作電壓越來(lái)越低，較強(qiáng)的紋波會(huì)對(duì)芯片造成浪涌沖擊危害，導(dǎo)致其工作不穩(wěn)定甚至燒毀；干擾其他電路間正在高速傳輸?shù)倪壿嬯P(guān)系與信號(hào)，使圖像顯示裝置、聲音播放裝置或其傳輸?shù)男畔⑹艿礁蓴_，影響正常圖像及聲音質(zhì)量等。因此較大紋波的消減是必要的，但前提是這些紋波小信號(hào)需要被正確的測(cè)量到。

2 示波器設(shè)置及探頭選擇

2.1 探頭工作原理分析

紋波小信號(hào)檢測(cè)儀器為示波器。對(duì)應(yīng)探頭目前主要分為以無(wú)源低壓示波器探頭及無(wú)源高壓示波器探頭等種類為主的無(wú)源探頭和以有源單端探頭及有源差分探頭等種類為主的有源探頭。兩者的區(qū)別是無(wú)源類無(wú)需供電，有源類需要進(jìn)行供電才能工作。

由于紋波小信號(hào)電壓屬于低壓范疇，因此本文將討論常見(jiàn)的以1：1為輸入比例和以10：1為輸入比例的無(wú)源低壓探頭及主要測(cè)量低壓小信號(hào)的有源探頭。

對(duì)于衰減比例為10：1的無(wú)源探頭，其內(nèi)部電路原理中包含等效9 MΩ的輸入阻抗，此時(shí)需要將示波器的輸入阻抗設(shè)置為高阻1 MΩ作為匹配。此時(shí)探頭內(nèi)部電路加上示波器內(nèi)部的串聯(lián)總阻抗為10 MΩ，示波器內(nèi)部得到的電壓將會(huì)是串聯(lián)總線路上分壓得到的十分之一，如圖1所示。隨后示波器內(nèi)部再通過(guò)理論計(jì)算將測(cè)試到電壓幅值數(shù)字上放大10倍進(jìn)行等效還原。

圖1 衰減比10：1無(wú)源探頭結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structure principle of passive probe with attenuation ratio of 10:1

無(wú)源探頭因?yàn)槠渚哂?0 MΩ的輸入阻抗，故它對(duì)待測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)干擾較小，能覆蓋一般被測(cè)的低頻頻段，其耐壓能力也強(qiáng)，加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性及兼容性強(qiáng)，所以在測(cè)試領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。探頭的負(fù)載效應(yīng)通常指當(dāng)待測(cè)電路接上探頭后，示波器內(nèi)部電路及探頭電路串聯(lián)進(jìn)一步形成了被測(cè)電路的并聯(lián)電路。原被測(cè)電路中的一小部分電流被這部分并聯(lián)電路通過(guò)分流進(jìn)入到示波器內(nèi)部。如果分流量比較大，則將對(duì)原始被測(cè)電路上的電路信號(hào)產(chǎn)生顯著影響。如果不適當(dāng)?shù)卦斐珊艽蟮呢?fù)載效應(yīng)，那么示波器上顯示的波形相較于真實(shí)波形變化大。此外該種探頭同時(shí)將示波器內(nèi)部底噪也進(jìn)行放大，導(dǎo)致測(cè)到的誤差也更大，故不適用于測(cè)試紋波小信號(hào)。

對(duì)于衰減比例為1：1的無(wú)源示波器探頭，其采集測(cè)量到的微波信號(hào)未經(jīng)衰減就直接經(jīng)過(guò)同軸傳輸線傳至示波器內(nèi)部，示波器內(nèi)部底噪不會(huì)被同步計(jì)算放大就直接顯示，測(cè)量噪聲引起的誤差更小。它的耐壓相對(duì)于高衰減比無(wú)源示波器探頭低的多，但它具備了測(cè)試低壓小信號(hào)的有利條件。但是因?yàn)闊o(wú)源探頭這種設(shè)計(jì)本身存在著輸入阻抗較低的缺陷，所以當(dāng)測(cè)量高輸出阻抗的紋波信號(hào)時(shí)，探頭的負(fù)載效應(yīng)將會(huì)比較明顯，造成測(cè)量值誤差偏大。又因?yàn)樘筋^內(nèi)部存在的容抗可以和后端示波器內(nèi)存在的阻抗間接形成低通濾波器，可能對(duì)采集到的波形進(jìn)行衰減，將會(huì)造成測(cè)量值誤差偏小。綜合來(lái)講，這種探頭更適用于測(cè)量較低輸出阻抗及頻率的開(kāi)關(guān)電源電路紋波小信號(hào)。

有源探頭需要提供額外的電壓才能使內(nèi)部放大電路正常工作，即其最大區(qū)別就是“有源”。目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)有源探頭都配備有特殊的專業(yè)接口，以方便從示波器內(nèi)部直接獲得電壓供探頭內(nèi)部前端級(jí)的放大器使用。采集到的紋波小信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器穩(wěn)定后再通過(guò)阻抗為50 Ω的同軸電纜進(jìn)入示波器內(nèi)部，同樣示波器的輸入阻抗需要設(shè)置為50 Ω完成阻抗匹配。由于有源單端探頭通常具有較高阻抗和較低的寄生電容，故可以被設(shè)計(jì)出極高的帶寬，因此它們主要在高頻信號(hào)的測(cè)量領(lǐng)域（G級(jí)帶寬）內(nèi)被廣泛使用。使用有源單端探頭的好處是可以測(cè)量到極高帶寬頻段，然而因?yàn)樾枰谔筋^內(nèi)部集成放大電路，故其設(shè)計(jì)及制造成本相對(duì)于無(wú)源探頭會(huì)更高，有的價(jià)格可達(dá)萬(wàn)元級(jí)。除價(jià)格外，高帶寬放大器的信號(hào)輸入范圍很小，所以它的動(dòng)態(tài)范圍通常被限制在僅幾伏范圍之內(nèi)，整個(gè)探頭所能承受的最大電壓也只有幾十 V，操作或設(shè)置不當(dāng)會(huì)造成探頭內(nèi)部電路故障。

有源差分探頭使用差分放大器來(lái)專門(mén)測(cè)試差分信號(hào)，即利用其具有較高的共模抑制比及對(duì)共模噪聲較強(qiáng)的抑制能力，來(lái)測(cè)試差分信號(hào)（一對(duì)具有不同相位差及電壓差信號(hào)，忽略地信號(hào)的影響），如圖2所示。

圖2 有源差分探頭結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Structure principle of active differential probe

2.2 示波器的設(shè)置

耦合設(shè)置：示波器耦合常見(jiàn)方式包含直流耦合方式和交流耦合方式，此外高端示波器還有低頻耦合和高頻耦合方式等?？梢詫⑹静ㄆ鱕軸檔位調(diào)小，利于進(jìn)行紋波小信號(hào)的觀察，從而忽略開(kāi)關(guān)電源的直流輸出及降低對(duì)電壓敏感的探頭損壞的概率。

帶寬設(shè)置：帶寬限制應(yīng)被設(shè)置到20 MHz，以降低測(cè)試探頭拾取到存在于電源產(chǎn)生及測(cè)試環(huán)境的高頻噪聲及干擾，來(lái)盡量保證真正紋波信號(hào)本身測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)。紋波頻率通常低于1 MHz，此時(shí)示波器設(shè)置的20 MHz帶寬仍滿足測(cè)試需求。

輸入阻抗設(shè)置：示波器測(cè)量通道阻抗設(shè)置只有1 MΩ與50 Ω兩種，但使用無(wú)源探頭時(shí)，須采用1 MΩ進(jìn)行匹配。

探頭衰減比例調(diào)節(jié)：衰減比例10：1的探頭雖然提升了測(cè)試帶寬，但是對(duì)于紋波小信號(hào)的測(cè)量造成更多的干擾。因?yàn)楸粶y(cè)紋波小信號(hào)幅度本身就小，再衰減10倍將會(huì)淹沒(méi)在示波器的底噪中，即使后期示波器再做10倍的數(shù)學(xué)放大，對(duì)于信噪比本身也是沒(méi)有絲毫優(yōu)化及改善。故對(duì)于紋波小信號(hào)的測(cè)量應(yīng)采用1：1的探頭。

探頭接入方法：測(cè)試中應(yīng)該使用原裝測(cè)試專用短針或者接地彈簧針保證地線環(huán)路小。由于整個(gè)紋波小信號(hào)測(cè)試環(huán)路比較大，會(huì)引入更多的空間電磁輻射噪聲、地環(huán)路噪聲及較多的EMI輻射噪聲等進(jìn)入到探頭的采集信號(hào)回路中，如圖3所示，將導(dǎo)致顯示的紋波包含其他噪聲信號(hào)的成分，致使測(cè)試誤差增大。所以要盡可能減小探頭探測(cè)點(diǎn)的間距，來(lái)減小環(huán)路面積及干擾。

圖3 探頭環(huán)路形成的空間電磁場(chǎng)環(huán)路Fig.3 Interspace electromagnetic field loop formed by probe loop

3 新探頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)傳輸線基礎(chǔ)理論，當(dāng)電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種傳輸介質(zhì)時(shí)，會(huì)在臨界面發(fā)生反射或折射，反射信號(hào)VL與入射信號(hào)VI的幅值之比，即反射系數(shù)ρ與前端阻抗Z0和后端阻抗ZL遵循以下公式。

當(dāng)傳輸線終端為開(kāi)路時(shí)，也就是阻抗ZL相比于Z0為無(wú)窮大，那么反射系數(shù)ρ可近似為1，這就是說(shuō)在開(kāi)路處，形成了大小相同方向相反的反射波。

基于以上分析，可針對(duì)無(wú)源探頭的核心電路設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化：采用50 Ω高精密無(wú)感線繞電阻置于前端，其后接50 Ω阻抗的同軸屏蔽線纜，此時(shí)被測(cè)微波將會(huì)在兩者上等分壓。由于等分壓的微波在50 Ω阻抗同軸線纜傳輸過(guò)程中遇到的阻抗處處相同，波形將不再衰減，一直傳導(dǎo)至示波器BNC型接口處。將示波器設(shè)置為1 MΩ輸入阻抗，當(dāng)?shù)确謮旱奈⒉úㄐ蔚竭_(dá)示波器1 MΩ阻抗器件表面（即由低阻抗分布集總元件進(jìn)入高阻值分立元件）時(shí)，利用被測(cè)微波在其接觸表面發(fā)生全反射的微波傳導(dǎo)特性，其等分壓的波形與全反射的波形會(huì)進(jìn)行幅值疊加，恢復(fù)至原始輸入波形的幅值。微波在整個(gè)探頭線上的傳輸幾乎無(wú)損，輸入即輸出。具體電路原理如圖4所示。

圖4 新探頭優(yōu)化測(cè)試原理Fig.4 Schematic diagram of optimization test of new probe

經(jīng)過(guò)重新優(yōu)化設(shè)計(jì)的無(wú)源探頭同時(shí)具備易制作、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)和極小空間電磁場(chǎng)探測(cè)環(huán)路面積的特點(diǎn)，其構(gòu)造如圖5所示。

圖5 新探頭結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure diagram of new probe

4 測(cè)試效果

在同樣測(cè)試環(huán)境下，依據(jù)以上原理及結(jié)構(gòu)制作出的新探頭與是德科技高端N2873A型無(wú)源探頭測(cè)試出的紋波波形進(jìn)行對(duì)比，其波形如圖6、7所示，可明顯看出新探頭測(cè)量到的噪聲及干擾值相對(duì)更小。

圖6 是德科技N2873A型無(wú)源探頭紋波測(cè)試結(jié)果Fig.6 Ripple test results of KEYSIGHT N2873A passive probe

圖7 新式探頭紋波小信號(hào)測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of ripple small signal of new probe

同一產(chǎn)品在同一測(cè)試環(huán)境下紋波的值應(yīng)是固定的，可用噪聲及干擾的誤差值除以整個(gè)紋波測(cè)量值的百分比作為參考，分別使用泰克P2220型號(hào)、是德科技N2873A型號(hào)及新結(jié)構(gòu)探頭，對(duì)7組常見(jiàn)電源模塊進(jìn)行紋波測(cè)試。其紋波測(cè)試結(jié)果、新探頭的噪聲及干擾與對(duì)應(yīng)紋波測(cè)試值的百分比結(jié)果如表1所示。

從表1可得出，新結(jié)構(gòu)探頭測(cè)到的紋波值優(yōu)于所對(duì)比的示波器成品探頭，并且其噪聲占紋波波形比例平均為11%，和專業(yè)電源紋波探頭，比如是德科技的N7020A型電源軌探頭（該探頭具有1:1 衰減比，低直流負(fù)載效應(yīng)，僅使示波器的本底噪聲增加10%的優(yōu)點(diǎn)）的部分性能相當(dāng)，但后者價(jià)格卻昂貴很多，因此新結(jié)構(gòu)探頭有更加實(shí)用及易普及的獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)合理、科學(xué)的示波器設(shè)置及探頭選擇，可為紋波微弱等低頻小信號(hào)的測(cè)試提供更精準(zhǔn)的測(cè)試測(cè)量方法，減少測(cè)量干擾和誤差，更能準(zhǔn)確地反應(yīng)出真實(shí)被測(cè)低頻小信號(hào)的大小，為紋波小信號(hào)測(cè)試提供新的思路及方法。