示波器和探頭好比我們電子工程師的火眼金睛，選擇合適的示波器和探頭能夠幫助迅速精準(zhǔn)的定位問(wèn)題，相反，示波器或者探頭選擇不當(dāng)也會(huì)帶來(lái)測(cè)試波形失真，結(jié)果精準(zhǔn)度不夠等一系列問(wèn)題，甚至影響產(chǎn)品研發(fā)的性能。這篇文章主要基于泰克6系列示波器及其配套的一些有源、無(wú)源探頭，對(duì)主板POL電源紋波的測(cè)試效果做個(gè)測(cè)評(píng)對(duì)比，看看電源測(cè)試過(guò)程中怎樣選出性價(jià)比最高的那款探頭，在滿足測(cè)試需求前提下盡可能的“省錢”，畢竟打工人賺錢不易，不能給本不富余的研發(fā)經(jīng)費(fèi)增加不必要的負(fù)擔(dān)^-^。

• （1） 示波器選擇

這篇文章主要想對(duì)比各類探頭的性能，所以示波器就簡(jiǎn)單說(shuō)明下：本次選擇了泰克6系示混合信號(hào)波器，帶寬2.5GHz，采樣率最高12.5G/Sa（單通道），垂直分辨率12位ADC，可搭配泰克無(wú)源探頭TPP1000、低壓差分探頭TDP1000/1500、高壓差分探頭TDP0500/1000、電源紋波探頭TDR4000、還有各種電流探頭（泰克的電流探頭有個(gè)好處是不需要額外供電）。下面就上述探頭中的一些電壓探頭做個(gè)對(duì)比測(cè)評(píng)。

• （2） 無(wú)源探頭

本次測(cè)試選擇的是TPP1000無(wú)源單端探頭，一般無(wú)源單端探頭的原理示意圖如下：

圖1.無(wú)源單端探頭示意圖

看到一般10X無(wú)源探頭前端主要由一個(gè)9M電阻和補(bǔ)償電容組成，示波器接口處的輸入阻抗為1M（一般示波器會(huì)自動(dòng)匹配）。TPP1000探頭的參數(shù)可簡(jiǎn)單歸納如下：

1）10X衰減比

2）1GHz帶寬

3）輸入阻抗10MΩ||3.9pF電容

4）最大電壓300Vrms

• （3） 低壓差分探頭

本次測(cè)試選擇的是TDP1500無(wú)源單端探頭，一般無(wú)源單端探頭的原理示意圖如下：

圖2.有源差分探頭示意圖

看到一般有源差分探頭前端主要由一個(gè)差動(dòng)放大器和阻容器件組成，與單端探頭不同，它的輸入阻抗一般為50K以上，且需采用50歐姆阻抗線與示波器連接，接口處的輸入阻抗為50歐（一般示波器會(huì)自動(dòng)匹配）。本次選用的TDP1500探頭的參數(shù)可簡(jiǎn)單歸納如下：

1）1X/10X衰減比

2）1.5GHz帶寬

3）輸入阻抗200KΩ||1pF電容

4）最大電壓±25V(DC pk AC)

• （4） 同軸線纜

本次測(cè)試選擇市面上常見(jiàn)的同軸線纜作為對(duì)比，一般同軸線纜的原理示意圖如下：

圖3.同軸線纜示意圖

看到一般同軸線纜主要由一個(gè)50歐姆匹配線纜和示波器連接，前端和接口處的輸入阻抗均為50歐（示波器可能無(wú)法自動(dòng)匹配），上圖中黑色箭頭僅表示輸入方向。本次選用市面上常見(jiàn)的1.5m BNC轉(zhuǎn)SMA同軸線，其參數(shù)可簡(jiǎn)單歸納如下：

1）1X衰減比

2）1GHz以上帶寬

3）輸入阻抗50Ω

4）最大電壓視示波器最大輸入電壓而定

• （6） 紋波探頭

本次測(cè)試選擇的是TDR4000有源紋波探頭，其基本結(jié)構(gòu)和上面的同軸線纜類似，但加入了偏置電路，旁路電容等：

圖4.紋波探頭示意圖

看到紋波專用探頭主要通過(guò)連接附件、50歐姆連接線和SMA/BNC連接器與示波器連接，另外還加入了直流偏置控制，低頻放大器等有源器件（這也是其區(qū)別于同軸線纜的關(guān)鍵部分）。本次選用TDR4000有源紋波探頭，其參數(shù)可簡(jiǎn)單歸納如下：

1）1．25X衰減比

2）4GHz帶寬

3）輸入阻抗50Ω

4）輸入動(dòng)態(tài)范圍±1V

5）DC offset ±60V

以上是對(duì)本次測(cè)評(píng)的探頭和示波器的一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，不是很深入，但我感覺(jué)還是挺實(shí)用的，需要進(jìn)一步深入了解探頭和示波器參數(shù)的同學(xué)可以參考官網(wǎng)資料哈。下面正式進(jìn)入測(cè)評(píng)環(huán)節(jié)：

• （1） 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，待測(cè)設(shè)備為計(jì)算機(jī)主板，測(cè)試點(diǎn)選擇的是CPU底部去耦電容兩端（VCC/GND），電壓1.1V，負(fù)載電流60A左右。采用上述無(wú)源探頭TPP1000、低壓差分探頭TDP1500、電源紋波探頭TDR4000以及同軸線纜作為對(duì)比，僅關(guān)注輸出電壓在20MHz帶寬下的紋波，以及500MHz-1GHz下的噪聲參數(shù)。

圖5.測(cè)試環(huán)境

四種探頭與測(cè)點(diǎn)的連接方式如下圖所示，其中，無(wú)源單端探頭TPP1000通過(guò)自行繞制的接地環(huán)與CPU底部的去耦電容相連；同軸線纜前端通過(guò)細(xì)的雙絞線焊接到與之前靠近的去耦電容處，有源差分探頭TDP1500通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)2.54排針與去耦電容連接，盡量讓探棒和被測(cè)平面垂直；紋波專用探頭TPR4000則通過(guò)自帶的附件焊接到去耦電容兩端。

圖6.探頭連接方式

• （2） 20MHz帶寬限制下的電源紋波測(cè)量結(jié)果

主板上電，進(jìn)操作系統(tǒng)后，運(yùn)行SPEC2006（CPU性能測(cè)試腳本）5min，抓取測(cè)試數(shù)據(jù)如下圖所示（示波器帶寬限制為20MHz）。其中，CH1（黃色）為專用紋波探頭TPR4000測(cè)試數(shù)據(jù)，  CH2（藍(lán)色）為同軸線纜測(cè)試數(shù)據(jù)，CH3（紅色）為有源差分探頭TDP1500測(cè)試數(shù)據(jù)，CH4（綠色）為無(wú)源單端探頭TPP1000測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試項(xiàng)主要抓取了各個(gè)通道的電壓峰峰值。

圖7.四種探頭20M帶寬下測(cè)試結(jié)果

可以看到，四種探頭記錄的數(shù)據(jù)總體差距不大，依次為：

CH1（黃色）62.69mV; CH2（藍(lán)色）64.69mV; CH3（紅色）62.89mV; CH4（綠色）68.59mV

圖8.四種探頭20M帶寬下測(cè)試結(jié)果（放大OVS）

可以看到，在瞬態(tài)負(fù)載下，四種探頭記錄的數(shù)據(jù)依然差距不大，依次為：

CH1（黃色）57.49mV; CH2（藍(lán)色）58.2mV; CH3（紅色）57.12mV; CH4（綠色）59.06mV

這就說(shuō)明如果僅僅是20MHz帶寬下測(cè)量電源的紋波電壓，那么可以選擇以上任何一種探頭作為測(cè)試工具，但一定要注意測(cè)試手法，探頭與測(cè)點(diǎn)的連接方式等。

補(bǔ)充一點(diǎn)，雖然說(shuō)各種探頭測(cè)量的結(jié)果差距不大，但細(xì)節(jié)上，特別是波形的形狀上還是有些不同的。

圖8.有源差分探頭和紋波探頭20M帶寬下測(cè)試細(xì)節(jié)對(duì)比

如上圖所示：CH1（黃色）采用專用紋波探頭TPR4000測(cè)量，CH2（藍(lán)色）采用有源差分探頭TDP1500測(cè)量，顯然采用專用紋波探頭能夠抓到更加規(guī)則，清晰的紋波包絡(luò)。

• （3） 500MHz帶寬限制下的電源紋波測(cè)量結(jié)果

測(cè)試條件為主板上電，進(jìn)操作系統(tǒng)后靜置，但把示波器帶寬限制改為500MHz

圖9.四種探頭500M帶寬下測(cè)試結(jié)果

可以看到，四種探頭記錄的數(shù)據(jù)差距較大，依次為：

CH1（黃色）40.19mV; CH2（藍(lán)色）85.83mV; CH3（紅色）20.05mV; CH4（綠色）38.4mV

由于CH3采用TDP1500有源差分探頭，和示波器沒(méi)有共地，所以沒(méi)有地噪聲的干擾，測(cè)到的噪聲最小，CH2采用同軸線纜，但由于無(wú)法設(shè)置直流偏置，所以只能在交流耦合、1MΩ輸入阻抗下測(cè)試，測(cè)到的噪聲最大（不可取），CH4單端探頭TPP1000和CH1紋波探頭TPR4000測(cè)到的結(jié)果接近。

這就說(shuō)明如果測(cè)試高帶寬（500MHz以上）的電源噪聲（負(fù)載端），那么還是應(yīng)該選擇專用的紋波噪聲探頭或者有源差分探頭比較合適。

• （4） 示波器探頭對(duì)比和選擇

通過(guò)上述測(cè)試，主要對(duì)四類探頭的電源紋波和噪聲進(jìn)行了測(cè)試。但問(wèn)題是在電源測(cè)試過(guò)程中我們應(yīng)該如何選擇這四種類型的探頭？

說(shuō)到選擇儀器設(shè)備，那無(wú)外乎性能、價(jià)格、易用性這幾個(gè)條件，追求性價(jià)比自然是最終的目標(biāo)。我先把上面四類探頭的價(jià)格信息羅列如下：

1）1.5m同軸線纜：15-20元

2）無(wú)源單端探頭TPP1000：8000元左右

3）有源差分探頭TDP1500：68000元左右

4）紋波專用探頭TPR4000：80000元左右

怎么樣，是不是差距很大？如果只測(cè)試20MHz電源紋波的話是不是感覺(jué)完全可以用20元的同軸代替80000元的紋波專用探頭？

但仔細(xì)對(duì)比的話同軸線纜作為測(cè)試工具還是有很多缺陷的，首先，它的前端需要采用細(xì)的漆包線或者其他線纜引出，焊接到測(cè)試點(diǎn)，而這一段線纜的阻抗不好控制，會(huì)限制帶寬。然后，也是最重要的原因，它無(wú)法設(shè)置大的直流偏置電壓，所以只能采用AC耦合配合1MΩ的示波器輸入阻抗進(jìn)行測(cè)試，這樣的話就會(huì)帶來(lái)阻抗不匹配，低頻分量損失等問(wèn)題。最后，除紋波電壓峰峰值之外它也無(wú)法測(cè)量電信號(hào)整體的一個(gè)變化趨勢(shì)，比如上下電等（電壓RANGE不夠）。

而紋波專用探頭TPR4000則解決了偏置電壓的問(wèn)題，它的偏置電壓可在±60V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且50KΩ的輸入阻抗也減輕了同軸線纜直連負(fù)載時(shí)帶來(lái)的負(fù)載效應(yīng)，同時(shí)也能夠清楚地區(qū)分出電源紋波和電源噪聲（以及示波器噪聲和空間干擾）。因此，這種紋波探頭專門為電源完整性驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

再來(lái)看有源差分探頭，既然紋波探頭可以在如此大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)偏置電壓，那是不是它可以完全替代有源差分探頭TDP1500呢？其實(shí)不是，紋波專用探頭的優(yōu)勢(shì)在于采用低噪聲，高帶寬，大偏置，依然是測(cè)量小信號(hào)專用，但它其實(shí)和同軸電纜有類似的問(wèn)題，就是無(wú)法測(cè)試信號(hào)的整體變化趨勢(shì)，也就是電壓RANGE范圍不夠，根據(jù)手冊(cè)，TPR4000的RANGE只有±1V，這就無(wú)法測(cè)試輸出電壓從0V到3.3V、5V等上電啟動(dòng)的波形，特別是上升時(shí)間的測(cè)量精度肯定不會(huì)很高。下面是截取的TRP4000的動(dòng)態(tài)范圍參數(shù)：

圖10.TPR4000輸入動(dòng)態(tài)范圍

作為對(duì)比，下面列出了有源差分探頭TDP1500的動(dòng)態(tài)參數(shù)：

圖11.TDP1500輸入動(dòng)態(tài)范圍（1X）

圖12.TDP1500輸入動(dòng)態(tài)范圍（10X）

可以看出，有源差分探頭TDP1500的輸入動(dòng)態(tài)范圍有兩種情況，在1:1衰減比情況下，能達(dá)到850mV，而在10:1衰減比情況下，能達(dá)到8.5V，前者適合測(cè)試紋波電壓等小信號(hào)，后者則可以用來(lái)測(cè)試大信號(hào)電壓變化，比如上下電時(shí)序等，有助于分析問(wèn)題。

最后，再來(lái)看無(wú)源單端探頭TPP1000。毫無(wú)疑問(wèn)這是最通用的一種探頭，擁有1GHz帶寬和300V最大耐壓，而這個(gè)300V也是它的動(dòng)態(tài)范圍。看上去似乎也很完美，但為什么我們要多花6-7萬(wàn)元去購(gòu)買差分探頭和紋波探頭呢？一個(gè)原因是它的衰減比為10:1，還有一個(gè)更重要的原因是它的線纜并非50Ω阻抗線，也沒(méi)有同軸線纜那樣好的屏蔽效果，所以很容易收到空間噪聲干擾，加上其與示波器連接處的輸入阻抗為1MΩ，在高速信號(hào)傳輸時(shí)也會(huì)因阻抗不匹配而產(chǎn)生反射。一句話總結(jié)就是，它適合測(cè)試低頻低速信號(hào)，不太適合測(cè)量快速變化的高速信號(hào)。

綜合上述測(cè)評(píng)和分析，在電源紋波&噪聲的測(cè)試中，如果資金充足建議選擇專用紋波探頭（高頻低壓小信號(hào)測(cè)試）+差分探頭（中低壓信號(hào)測(cè)試）+無(wú)源單端探頭（低頻高壓信號(hào)測(cè)試），這樣既可覆蓋全頻段，全動(dòng)態(tài)輸入電壓范圍的測(cè)試需求（預(yù)算大概20W以內(nèi)的樣子吧）；如果資金有限，可以選擇一個(gè)差分探頭，代替專用紋波探頭使用，最好在搭配一個(gè)無(wú)源單端探頭（預(yù)算大概10W以內(nèi)）；如果實(shí)在沒(méi)有銀兩，那直接采用無(wú)源單端探頭測(cè)試電源紋波和噪聲也是可以的，不過(guò)就要在測(cè)試手法，測(cè)試環(huán)境方面多下些功夫了，特別是噪聲測(cè)試，很容易出現(xiàn)一千個(gè)測(cè)試者測(cè)出一千個(gè)哈姆雷特的窘境。