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，让我们难以解决。
配电网（PDN）的噪声测量已经成为调试和排查系统设计问题的焦点，但是，确定PDN完整性的过程并非没有“陷阱”。在本文中，我们将介绍PDN测量和探测中导致错误测试结果的一些挑战，以及如何克服它们。
来自EMI/RFI的干扰噪声是其中的一个挑战，即使是对1.5V电池的电压测量，这种干扰也是显而易见的，考虑到电池内部的电化学反应和由于探测引起的一点电流消耗，我们可以预见到电压波形上会有适量的噪声。
我们尝试将电池放入支架并探测其两端的端子，示波器屏幕上出现的噪声让我们感到惊讶。图1中顶部波形是电池电压波形（粉红色，通道2），底部波形（黄色，通道1）显示的是作为参考的示波器的基底噪声，两个波形使用相同的垂直刻度，电池电压波形显示出其上存在很高噪声，远远超出预期，电压平均值为1.56V，噪声为33mVPK-PK。
图1：1.5V电池的初始测量结果显示出噪声（上部波形）和示波器的本底噪声（下部波形），显然，外部噪声已进入测量系统。
可以看到噪声是宽频带的，达到示波器的全带宽（在此为1GHz），都没有衰减的迹象。
图2：电池电压测量的频谱图显示其是宽频带的（上部曲线），下部曲线显示在前100MHz中的特定频率处具有峰值。
图2中下部波形显示了噪声频谱的前100MHz的放大图，它显示出明显的噪声峰值，奇怪的是，它几乎从15MHz开始，接着是30MHz，45MHz，依此类推，这无疑是来自外部的RF噪声。
因此，明显的补救措施是适当地屏蔽电池（图3），确保屏蔽连接到探头的返回路径。
图3：在探头周围做屏蔽，即使是粗糙的屏蔽，也可以降低RF噪声。
增加屏蔽的差异很明显，在图4的下部曲线是屏蔽后的频谱图，噪声从大约-60dBm减小到-100dBm，相当于减少了4倍，幅度等效约为45nV。
图4：通过屏蔽探头，与图3相比，示波器显示噪声降低。
最后我们做最终的完整检查，将适当屏蔽的电池噪声与示波器的基底噪声进行比较（图5）。示波器基底噪声在通道1（黄色，下部波形）和电池噪声在通道2（粉红色，上部波形）上，它们几乎是相同的。
图5：当电池屏蔽EMI/RFI时，示波器基底噪声（黄色）和屏蔽的电池噪声（粉红色）几乎完全相同。
因此，除了屏蔽良好的同轴电缆连接以外，使用任何其他方式探测低电平信号，都会受到干扰，任何与DUT屏蔽分开的裸露导体都会像天线一样。
EMI-RFI干扰通常具有宽频带性质，为了最大限度地减少这方面的影响，探头前端应尽可能地设计为类似同轴电缆，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。更糟糕的是，将获得“天线效应”并且探头将拾取EMI/RFI干扰。因此，确保示波器和DUT之间的连接看起来尽可能像同轴连接。
在测试设计方面，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，那么将大大减少EMI/RFI影响电源测量的可能性。
正如上面所展示的那样，EMI/RFI可能会对电源噪声测量造成严重破坏，在相同的情况下，我们也应始终注意示波器探头的某些特性，即10X衰减探头，通常新示波器都标配这种探头，当使用10X衰减探头而不是带微夹钳前端的BNC探头时，我们会得到什么样的测量结果？
图6显示了两种状况拾取的噪声，在探头前端打开的情况下，探头对电场更敏感，10X探头测量到72mVPK-PK和11mVRMS，而同轴探头测量到36mVPK-PK和4.2mVRMS。
图6：使用10X衰减探头（上部）和BNC探头（底部）捕获的信号波形显示不同的噪声水平。
图7显示的是与图6相同的测量，但是探头前端短接在一起，在这种情况下，探头对磁场更敏感。然而，将两条波形的噪声分量再次对比分析，这次，10X探头测得33mVPK-PK和1.6mVRMS，同轴电缆探头测得24mVPK-PK和1.2mVRMS。
图7：使用和图6同样的探头和信号，但是将探头前端短接，对磁场更敏感。
我们知道这些测量中的噪声是EMI/RFI，解决RF拾取问题的方法是从DUT到示波器外壳的适当屏蔽。
图8显示了应用适当屏蔽并在探头前端短路的情况下进行测量的结果，正如所期望的那样，就像在EMI/RFI实验中一样，BNC探头的信号几乎没有噪声。
图8：使用和图7同样的探头和信号，但应用适当的屏蔽显著降低EMI/RFI。
10X衰减探头发生了什么？请记住，这些波形以相同的10mV/div刻度显示（参见提示）。但10X探头的噪声是BNC探头噪声的10倍，原因是两个探头在示波器的放大器中看到相同的噪声，但在10X探头前端反射了10倍。
这些例子表明，当使用任何类型的10X衰减探头在示波器的本底噪声处采集低电平信号时，已经有效地放弃了10倍的信号，并且具有相同的噪声量，可以预期信噪比（SNR）会降低20dB。
测量电源噪声时，另一个棘手的问题是：如何在测量中实现高带宽，同时最大限度地降低DUT上的电流负载，鉴于DUT是电源，不希望从它汲取太多电流。但是这两个测量要求是相互矛盾的，它与互连信号的基本特性有关。
假设探头上有一根同轴电缆，示波器的输入阻抗为1MΩ，正在探测低阻抗的电源，从该电源发射到探头的任何瞬变，则会遇到1MΩ输入阻抗并反射回来，从而引发振铃（图9）。
图9：在低阻抗电源轨和1MΩ输入阻抗之间连接6英寸同轴电缆会在信号采集时产生反射和振铃伪影。
将看到多少振铃取决于相对于示波器带宽的同轴线缆的长度，如果想将振铃频率推高到超过1GHz示波器的带宽限制，则同轴电缆需要小于3英寸，太长的线缆是相当不切实际的，任何超过这个长度的线缆，当使用仪器的全带宽时，那么将在仪器显示屏上看到振铃误差。
为了更加实用，需要更长的同轴电缆，只要示波器的1MΩ输入阻抗与电源DUT的阻抗之间存在阻抗不匹配，就会产生反射和振铃。因此，要想不产生振铃误差，你可以获得的最高带宽可能低于预期。
可以通过在示波器上使用50Ω输入端接来避免振铃问题，这种端接设计用于最小化电缆反射。
但这里有一个矛盾：如果在示波器上使用50Ω输入端接，则在电源上将包含50Ω负载。如果测量5V电压轨，这是示波器中的50Ω电阻可以承受的最高电压，它将消耗100mA，如果电源提供100A，这不是问题，但如果它是LDO，最大电流为200mA，示波器将消耗一半的裕量。
另一种选择是使用10X衰减探头，它有一个1MΩ的示波器输入，因此不会使电源负载过大。如上所述，10X探头将失去20dB的SNR。一些工程师在探头前端使用450Ω串联电阻来制作“手工”的10X探头，负载是500Ω，同轴电缆仍然有50Ω终端，所以他们都很高兴。但同样，已经引入了10倍衰减，并且由于阻抗匹配牺牲了SNR。
使用同轴探针可以测量高带宽，但为此，需要50Ω的负载，但这会使电源负载过大，并基本上阻止我们探测超过5V的电源。通常，测试和测量都会涉及妥协，在某种程度上，每种测量方案都将决定如何平衡这些妥协以获得最有意义的结果。
克服这些挑战的方法是使用有源探头，有源电源轨探头在低频时具有高阻抗，因此它们不会使电源轨负载过大，而在50Ω示波器输入终端电阻中引入一个带有隔直电容的并联高通滤波器。此外，有源电源轨探头通常可以承受高达30V的电压，并且能够产生大的偏移。
有源电源轨探头是满足探测电源独特挑战的最佳折衷方案。
（原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站，参考链接：The pitfalls of power-rail noise measurements。）
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