示波器探头测评对比

示波器和探头好比我们电子工程师的火眼金睛,选择合适的示波器和探头能够帮助迅速精准的定位问题,相反,示波器或者探头选择不当也会带来测试波形失真,结果精准度不够等一系列问题,甚至影响产品研发的性能。这篇文章主要基于泰克6系列示波器及其配套的一些有源、无源探头,对主板POL电源纹波的测试效果做个测评对比,看看电源测试过程中怎样选出性价比最高的那款探头,在满足测试需求前提下尽可能的“省钱”,毕竟打工人赚钱不易,不能给本不富余的研发经费增加不必要的负担^-^。

  • (1) 示波器选择

这篇文章主要想对比各类探头的性能,所以示波器就简单说明下:本次选择了泰克6系示混合信号波器,带宽2.5GHz,采样率最高12.5G/Sa(单通道),垂直分辨率12位ADC,可搭配泰克无源探头TPP1000、低压差分探头TDP1000/1500、高压差分探头TDP0500/1000、电源纹波探头TDR4000、还有各种电流探头(泰克的电流探头有个好处是不需要额外供电)。下面就上述探头中的一些电压探头做个对比测评。

  • (2) 无源探头

本次测试选择的是TPP1000无源单端探头,一般无源单端探头的原理示意图如下:

图1.无源单端探头示意图

看到一般10X无源探头前端主要由一个9M电阻和补偿电容组成,示波器接口处的输入阻抗为1M(一般示波器会自动匹配)。TPP1000探头的参数可简单归纳如下:

1)10X衰减比

2)1GHz带宽

3)输入阻抗10MΩ||3.9pF电容

4)最大电压300Vrms

  • (3) 低压差分探头

本次测试选择的是TDP1500无源单端探头,一般无源单端探头的原理示意图如下:

图2.有源差分探头示意图

看到一般有源差分探头前端主要由一个差动放大器和阻容器件组成,与单端探头不同,它的输入阻抗一般为50K以上,且需采用50欧姆阻抗线与示波器连接,接口处的输入阻抗为50欧(一般示波器会自动匹配)。本次选用的TDP1500探头的参数可简单归纳如下:

1)1X/10X衰减比

2)1.5GHz带宽

3)输入阻抗200KΩ||1pF电容

4)最大电压±25V(DC pk AC)

    • (4) 同轴线缆

    本次测试选择市面上常见的同轴线缆作为对比,一般同轴线缆的原理示意图如下:

    图3.同轴线缆示意图

    看到一般同轴线缆主要由一个50欧姆匹配线缆和示波器连接,前端和接口处的输入阻抗均为50欧(示波器可能无法自动匹配),上图中黑色箭头仅表示输入方向。本次选用市面上常见的1.5m BNC转SMA同轴线,其参数可简单归纳如下:

    1)1X衰减比

    2)1GHz以上带宽

    3)输入阻抗50Ω

    4)最大电压视示波器最大输入电压而定

    • (6) 纹波探头

    本次测试选择的是TDR4000有源纹波探头,其基本结构和上面的同轴线缆类似,但加入了偏置电路,旁路电容等:

    图4.纹波探头示意图

    看到纹波专用探头主要通过连接附件、50欧姆连接线和SMA/BNC连接器与示波器连接,另外还加入了直流偏置控制,低频放大器等有源器件(这也是其区别于同轴线缆的关键部分)。本次选用TDR4000有源纹波探头,其参数可简单归纳如下:

    1)1.25X衰减比

    2)4GHz带宽

    3)输入阻抗50Ω

    4)输入动态范围±1V

    5)DC offset ±60V

    以上是对本次测评的探头和示波器的一个简单介绍,不是很深入,但我感觉还是挺实用的,需要进一步深入了解探头和示波器参数的同学可以参考官网资料哈。下面正式进入测评环节:

    • (1) 实验环境搭建

    测试在实验室环境下进行,待测设备为计算机主板,测试点选择的是CPU底部去耦电容两端(VCC/GND),电压1.1V,负载电流60A左右。采用上述无源探头TPP1000、低压差分探头TDP1500、电源纹波探头TDR4000以及同轴线缆作为对比,仅关注输出电压在20MHz带宽下的纹波,以及500MHz-1GHz下的噪声参数。

    图5.测试环境

    四种探头与测点的连接方式如下图所示,其中,无源单端探头TPP1000通过自行绕制的接地环与CPU底部的去耦电容相连;同轴线缆前端通过细的双绞线焊接到与之前靠近的去耦电容处,有源差分探头TDP1500通过标准2.54排针与去耦电容连接,尽量让探棒和被测平面垂直;纹波专用探头TPR4000则通过自带的附件焊接到去耦电容两端。

    图6.探头连接方式

    • (2) 20MHz带宽限制下的电源纹波测量结果

    主板上电,进操作系统后,运行SPEC2006(CPU性能测试脚本)5min,抓取测试数据如下图所示(示波器带宽限制为20MHz)。其中,CH1(黄色)为专用纹波探头TPR4000测试数据,  CH2(蓝色)为同轴线缆测试数据,CH3(红色)为有源差分探头TDP1500测试数据,CH4(绿色)为无源单端探头TPP1000测试数据。测试项主要抓取了各个通道的电压峰峰值。

    图7.四种探头20M带宽下测试结果

    可以看到,四种探头记录的数据总体差距不大,依次为:

    CH1(黄色)62.69mV; CH2(蓝色)64.69mV; CH3(红色)62.89mV; CH4(绿色)68.59mV

    图8.四种探头20M带宽下测试结果(放大OVS)

    可以看到,在瞬态负载下,四种探头记录的数据依然差距不大,依次为:

    CH1(黄色)57.49mV; CH2(蓝色)58.2mV; CH3(红色)57.12mV; CH4(绿色)59.06mV

    这就说明如果仅仅是20MHz带宽下测量电源的纹波电压,那么可以选择以上任何一种探头作为测试工具,但一定要注意测试手法,探头与测点的连接方式等。

    补充一点,虽然说各种探头测量的结果差距不大,但细节上,特别是波形的形状上还是有些不同的。

    图8.有源差分探头和纹波探头20M带宽下测试细节对比

    如上图所示:CH1(黄色)采用专用纹波探头TPR4000测量,CH2(蓝色)采用有源差分探头TDP1500测量,显然采用专用纹波探头能够抓到更加规则,清晰的纹波包络。

    • (3) 500MHz带宽限制下的电源纹波测量结果

    测试条件为主板上电,进操作系统后静置,但把示波器带宽限制改为500MHz

    图9.四种探头500M带宽下测试结果

    可以看到,四种探头记录的数据差距较大,依次为:

    CH1(黄色)40.19mV; CH2(蓝色)85.83mV; CH3(红色)20.05mV; CH4(绿色)38.4mV

    由于CH3采用TDP1500有源差分探头,和示波器没有共地,所以没有地噪声的干扰,测到的噪声最小,CH2采用同轴线缆,但由于无法设置直流偏置,所以只能在交流耦合、1MΩ输入阻抗下测试,测到的噪声最大(不可取),CH4单端探头TPP1000和CH1纹波探头TPR4000测到的结果接近。

    这就说明如果测试高带宽(500MHz以上)的电源噪声(负载端),那么还是应该选择专用的纹波噪声探头或者有源差分探头比较合适。

    • (4) 示波器探头对比和选择

    通过上述测试,主要对四类探头的电源纹波和噪声进行了测试。但问题是在电源测试过程中我们应该如何选择这四种类型的探头?

    说到选择仪器设备,那无外乎性能、价格、易用性这几个条件,追求性价比自然是最终的目标。我先把上面四类探头的价格信息罗列如下:

    1)1.5m同轴线缆:15-20元

    2)无源单端探头TPP1000:8000元左右

    3)有源差分探头TDP1500:68000元左右

    4)纹波专用探头TPR4000:80000元左右

    怎么样,是不是差距很大?如果只测试20MHz电源纹波的话是不是感觉完全可以用20元的同轴代替80000元的纹波专用探头?

    但仔细对比的话同轴线缆作为测试工具还是有很多缺陷的,首先,它的前端需要采用细的漆包线或者其他线缆引出,焊接到测试点,而这一段线缆的阻抗不好控制,会限制带宽。然后,也是最重要的原因,它无法设置大的直流偏置电压,所以只能采用AC耦合配合1MΩ的示波器输入阻抗进行测试,这样的话就会带来阻抗不匹配,低频分量损失等问题。最后,除纹波电压峰峰值之外它也无法测量电信号整体的一个变化趋势,比如上下电等(电压RANGE不够)。

    而纹波专用探头TPR4000则解决了偏置电压的问题,它的偏置电压可在±60V范围内调节,而且50KΩ的输入阻抗也减轻了同轴线缆直连负载时带来的负载效应,同时也能够清楚地区分出电源纹波和电源噪声(以及示波器噪声和空间干扰)。因此,这种纹波探头专门为电源完整性验证设计。

    再来看有源差分探头,既然纹波探头可以在如此大的范围内调节偏置电压,那是不是它可以完全替代有源差分探头TDP1500呢?其实不是,纹波专用探头的优势在于采用低噪声,高带宽,大偏置,依然是测量小信号专用,但它其实和同轴电缆有类似的问题,就是无法测试信号的整体变化趋势,也就是电压RANGE范围不够,根据手册,TPR4000的RANGE只有±1V,这就无法测试输出电压从0V到3.3V、5V等上电启动的波形,特别是上升时间的测量精度肯定不会很高。下面是截取的TRP4000的动态范围参数:

    图10.TPR4000输入动态范围

    作为对比,下面列出了有源差分探头TDP1500的动态参数:

    图11.TDP1500输入动态范围(1X)

    图12.TDP1500输入动态范围(10X)

    可以看出,有源差分探头TDP1500的输入动态范围有两种情况,在1:1衰减比情况下,能达到850mV,而在10:1衰减比情况下,能达到8.5V,前者适合测试纹波电压等小信号,后者则可以用来测试大信号电压变化,比如上下电时序等,有助于分析问题。

    最后,再来看无源单端探头TPP1000。毫无疑问这是最通用的一种探头,拥有1GHz带宽和300V最大耐压,而这个300V也是它的动态范围。看上去似乎也很完美,但为什么我们要多花6-7万元去购买差分探头和纹波探头呢?一个原因是它的衰减比为10:1,还有一个更重要的原因是它的线缆并非50Ω阻抗线,也没有同轴线缆那样好的屏蔽效果,所以很容易收到空间噪声干扰,加上其与示波器连接处的输入阻抗为1MΩ,在高速信号传输时也会因阻抗不匹配而产生反射。一句话总结就是,它适合测试低频低速信号,不太适合测量快速变化的高速信号。

    综合上述测评和分析,在电源纹波&噪声的测试中,如果资金充足建议选择专用纹波探头(高频低压小信号测试)+差分探头(中低压信号测试)+无源单端探头(低频高压信号测试),这样既可覆盖全频段,全动态输入电压范围的测试需求(预算大概20W以内的样子吧);如果资金有限,可以选择一个差分探头,代替专用纹波探头使用,最好在搭配一个无源单端探头(预算大概10W以内);如果实在没有银两,那直接采用无源单端探头测试电源纹波和噪声也是可以的,不过就要在测试手法,测试环境方面多下些功夫了,特别是噪声测试,很容易出现一千个测试者测出一千个哈姆雷特的窘境。

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