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什么是有源电源轨探头及其使用方法

作者： Art Pini 2021-08-02

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高速计算机和手持便携式设备的电源总线电压正在下降。历史上，5 伏电源轨的工作容差为 ±5%，而今天的低压处理器需要更严格的容差，大约为 ±1%。因此，1.1 伏总线的容差为 ±11 毫伏 (mV)。确保这些配电网络 (PDN) 的完整性需要新的测量工具。

PDN 对任何需要电源的设备来说都是常见的，因为电源轨上的噪声、串扰或负载变化的瞬态信号会在整个系统中传播。这些杂散信号会导致一系列其他问题，如时间抖动。因此，不仅要测量和评估直流电压，而且要测量和评估电源轨上的噪声、纹波和串扰。

这需要在直流电压水平为 1 伏或更高的电源轨上观察毫伏范围的信号。问题就在这里。一个典型的示波器设置为 5 毫伏范围，只能补偿 ±300 毫伏的偏移。这意味着，即使是 1 伏的电源总线也会出现在屏幕之外。当然，使用更高的垂直灵敏度，如 200 mV，可将偏移范围增加到 ±3 伏，但噪声和纹波（假设它小于 11 mV 的电压容差）几乎是看不见的。这就是可以使用有源电源轨探头的地方。

像 Teledyne LeCroy 的 RP4030 这样的电源轨探头从几个方面解决了这个问题。首先，它们提供接近 1:1 的衰减范围，以避免衰减这些已经很小的目标信号。其次，它们通过将信号路径分成直流和交流路径，每个路径都有自己的输入阻抗防止载入功率（图 1）。

图 1：一个典型的电源轨探头的简化功能图，显示了平行交流和直流路径，以及它们的频率响应图。（图片来源：DigiKey）

直流路径提供 50 千欧 (kΩ) 的直流电阻。交流路径则对信号采用电容耦合。直流路径具有低通频率响应，而交流路径具有高通频率响应。这些路径在探头输出端相加，然后进入示波器的 50Ω 输入端，产生平坦的频率响应。进入 50Ω 示波器输入带来了最低的噪声贡献和最高的示波器带宽。探头的带宽为 4 千兆赫 (GHz)，这样就允许测量广泛的杂散信号。最后，电源轨探头提供了非常宽的高精度补偿电压，通常在 ±30 伏范围内。

有源探头的使用实例

让我们看一下一个典型的测量，如图 2 所示。这是对 1.1 伏总线上的周期性和随机偏差 (PARD) 的测量。PARD 是一个通用的行业术语，是对瞬时总线电压偏离其平均值或平均值本身的测量。偏差可以包括周期性信号、随机噪声和串扰。PARD 通常以峰-峰值来衡量。

在图 2 中，峰-峰测量参数读取的 PARD 值为 7.5 mV。这包括周期性、随机性和一些狭窄的尖峰成分。PARD 不包括总线电压在 20 Hz 以下的称为漂移的缓慢变化。电源轨探头提供了偏移量，在图中 C1 注释框中显示为 -1.1 伏（左下角，黄色框）。本例中使用的电源轨探头的偏移范围为 ±30 伏。这允许使用每格 2mV (mv/div) 垂直刻度来测量信号，如果没有探头，垂直刻度的范围只有 ±300mV。

图 2：在垂直灵敏度为每格 2 mV 的情况下的 PARD 测量值。它显示了随机、周期性和串扰成分，在 1.1 伏的电源轨上，峰-峰值为 7.5mV。（图片来源：DigiKey）

电源轨探头还包括几个互连附件，使得这些测量更加容易，如用来对电路板进行手动探测的探查器和焊接电缆。焊接电缆提供最高带宽，而探查器提供较低带宽。

结语

随着电源电压的下降，电源完整性测量变得越来越困难，但如上所述，有源电源轨探头可以提供帮助。这些探头消除了动态范围的损失，而这种损失通常发生于必须在一个高得多的直流电压上测量小电压的情形下。

关于此作者

Arthur (Art) Pini 是 DigiKey 的特约作者。他拥有纽约城市学院的电气工程学士学位和纽约城市大学的电气工程硕士学位。Art 在电子领域拥有超过 50 年的经验，曾在 Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek 和 Nicolet Scientific 担任重要工程和营销职位。Art 对测量技术很感兴趣，在示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、数字化仪和功率计方面有着丰富的经验。