圖4. SMPS輸出上的測量電壓。所有通道都在相同的10 mV / div范圍內(nèi)。探頭衰減會影響SNR
有兩個重要的觀察結(jié)果。首先，1×同軸電纜的一般噪聲水平遠(yuǎn)低于10×探頭。這實(shí)際上是由于10×探針不是10×探針，它是0.1×探針。它將信號衰減10倍，將其幅度降低20 dB。當(dāng)我們測量小信號電平時，例如幾十毫伏，測得的電壓對示波器的放大器噪聲很敏感。
大多數(shù)示波器足夠聰明，可以識別出通道上附有10×探頭。它們會自動調(diào)整顯示的電壓標(biāo)度，以補(bǔ)償十倍因子衰減并顯示尖端電壓。因此，當(dāng)示波器以10 mV / div刻度顯示信號時，它實(shí)際上在放大器上使用1 mV / div刻度。我們所看到的是，尖端噪聲的峰值到峰值幾乎達(dá)到10 mV，實(shí)際上在示波器放大器的峰峰值噪聲約為1 mV。
使用SMA連接的同軸電纜實(shí)際上是1×探頭。該跡線也以10 mV / div刻度顯示。在這種情況下，1 mV峰峰值放大器噪聲或多或少地包含在跡線的線寬內(nèi)。
這表明了一個重要的最佳測量實(shí)踐：當(dāng)我們觀察低幅度信號時，例如電源軌噪聲，任何10倍衰減探頭都會使我們的SNR降低20 dB。當(dāng)每個dB計(jì)數(shù)時，請勿使用衰減探頭。
同軸連接與示波器探頭
第二個觀察結(jié)果是，同軸連接中不存在大而尖銳的尖峰，而是存在于兩個10×探針測量中。由于其中一個探頭甚至沒有接觸到軌道輸出，這強(qiáng)烈表明尖峰尖峰噪聲是由于RF拾取引起的，而不是SMPS輸出上的電壓噪聲。
這表明第二個重要的最佳測量實(shí)踐：在測量低幅度信號時，使用盡可能接近同軸連接的測量設(shè)置，以減少探頭的環(huán)路面積及其作為天線的有效性。
如果我們實(shí)施這兩個最佳測量實(shí)踐，我們在3.3 V電壓軌中具有30 mV的峰峰值紋波噪聲。這是1％的紋波，非常適合低成本的SMPS。此外，高頻噪聲大大降低，并且短時瞬態(tài) - 實(shí)際上作為RF拾取噪聲而不是軌電壓噪聲 - 不再作為切換器輸出信號的一部分顯示。
頻域噪聲
只要我使用靠近我的電源和信號路徑的地平面，這是一個重要的最佳半導(dǎo)體設(shè)計(jì)實(shí)踐，由此SMPS供電的設(shè)備和我板上的信號將只看到由50 kHz產(chǎn)生的諧波SMPS。
使用直接同軸，低噪聲連接，我測量了SMPS電源軌上的噪聲頻譜。一個例子如圖5所示。

圖5.電源軌上的噪聲頻譜。Top 是時變頻譜圖，超過10秒，顯示非常穩(wěn)定的幅度。在此比例下，0 dBmV是1 mV幅度噪聲。頻譜中的峰值是開關(guān)頻率的50 kHz諧波。一次諧波的幅度約為10 dBmV，即3 mV。這遠(yuǎn)小于在時域中測量的30mV峰峰值電壓。這是因?yàn)榧y波噪聲具有如此低的占空比。在一次諧波的短時三角脈沖中沒有太多的正弦波。大量高次諧波表示時域中波形的奇怪形狀及其高頻內(nèi)容。
所有開關(guān)噪聲均低于約3 MHz時的10μV幅度。對于我的應(yīng)用，這是一個可接受的噪音水平，實(shí)際上對于這種低成本的SMPS來說它非常低。
結(jié)論
本文討論了關(guān)于開關(guān)電源實(shí)際產(chǎn)生的電壓噪聲的重要考慮因素，并介紹了兩種最佳測量方法，可幫助您對開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出軌進(jìn)行精確的示波器測量。