最近看到用50欧姆同轴线测电源纹波的很多流行文章,各式各样,不明觉厉,终于抽空自己查阅相关文章,在此谈一下个人在工作中用示波器测量纹波&噪声的一些建议。
在测试电源波形的时候,我们经常会发现有一些上下波动的现象,有人说这是纹波,有人说这是噪声
首先明确文波和噪声的两个概念:
在此借用deepseek中的描述:
纹波(Ripple)
定义
纹波是指电源输出直流电压中叠加的周期性波动成分,主要由电源内部的开关动作(如开关电源)或整流滤波不完善(如线性电源)引起。
频率范围:通常与电源的开关频率(如几十kHz到MHz)或输入交流频率(如50Hz/60Hz工频)相关。
波形特征:呈现规律的周期性波动(如正弦波、锯齿波)。
产生原因
开关电源:MOSFET的快速开关导致LC滤波后的残留波动。
线性电源:整流后的交流成分未完全滤除(如滤波电容容量不足)。
负载变化:动态负载导致反馈环路调节时的微小振荡。
噪声(Noise)
定义
噪声是电路中存在的非周期性、随机的高频干扰信号,可能来自内部或外部。
频率范围:宽频带(从几Hz到GHz),无明显规律。
波形特征:随机杂散信号(如白噪声、尖峰脉冲)。
产生原因
内部噪声:半导体器件热噪声(约翰逊噪声)、散粒噪声、1/f噪声等。
外部干扰:电磁辐射(EMI)、地线耦合、开关瞬态(如继电器动作)。
电源噪声:DC-DC转换器的高频开关噪声(如振铃、寄生振荡)。
测纹波目前主流的一般就是用接地探针和50欧姆同轴线两种测试方法:
当然,也有第三种,但是不建议学,
在讲测量方法之前,先讲一下示波器的探头到示波器通道的内部电路
带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头,一般示波器标配的探头都是此类探头
用这种探头加接地探针
带宽:限制到20MHz,
通道耦合:交流耦合
探头倍率:设置为1X 因为电源纹波的幅值一般都比较小,如果设置为10:1的话,信号衰减十倍进入仪器,再通过数字计算放大十倍,这个过程会放大很多噪声,从而导致纹波测量值偏高
输入阻抗:设置为1MΩ
电压档位:20mV/div(此处可根据所测纹波的实际大小灵活调整)
大量程下示波器的本底噪声会被放大,如:示波器的基本量程为10mV/格,此时底噪为500uV,当量程改为100mV/格,示波器输入会增加10:1的衰减器,显示时再将信号放大10倍,底噪变为5mV
用50欧姆同轴线
带宽:限制到20MHz
通道耦合:交流耦合
(有些示波器在交流的情况下不支持50欧姆阻抗,故设直流耦合也认为是可以的,但是都建议在隔直流小板)
直流小板的示意图:这里加的隔直流电容的容量有人加100nF,有人加10uF,个人认为二者可以并联
探头倍率:设置为1X
输入阻抗:设置为50Ω
电压档位:20mV/div(此处可根据所测纹波的实际大小灵活调整)
下图是用50欧姆同轴测试的带宽限制20MHz和限制100MHz的纹波
可见100MHz的图像引入了噪声。
之所以测纹波需要将带宽限制到20MHz,这一操作主要是为了避免数字电路的高频噪声影响纹波的测量,尽量保证测量的准确性。
因为前文提到:纹波的频率范围通常与电源的开关频率(如几十kHz到MHz)或输入交流频率(如50Hz/60Hz工频)相关。
若测噪声,可将示波器的带宽限制关闭。