干净的电源是数字电路稳定工作的前提，为确保电源供应的质量，必须对电源的纹波和噪声进行测量。
电源纹波指标是开关电源模块或者 DC/DC 的一项很重要的参数。电源纹波能理解为电源模块包括 VRM 的输出电压的波动，和复杂的供电网络无关，或是说电源输出的源端的电压的波动。
电源噪声则是指电源模块工作在实际产品系统中，经过供电分布网络将电源能量输送到芯片管脚处，在芯片管脚处的电压的波动，或者简单说是电源输出的末端的电压的波动。电源噪声从输出端经过供电网路 (PDN) 传输后到芯片管脚除了电源本身的纹波之外可能增加或者耦合进了其它电路部件的干扰比如时钟的串扰，以及电路本身工作过程中带来的其他噪声，典型的比如DDR 总线工作时的 SSN 噪声 ( Simultaneous Switching Noise ) 或者地弹 ( Ground Bounce ) 等。
通常电源纹波频率由 MOSFET 切换频率决定，在几百 KHz 到 MHz 级别，时钟串扰带来的电源噪声频率则在几十 MHz 到百MHz 左右，而 SSN 噪声则与总线或者信号传输的切换频率有关，最高可能达 GHz 级别，比如 DDR4 总线 GHz 左右。因此可见电源纹波通常在低频段，而电源噪声则要考虑到更高频段。
干净的电源是数字电路稳定工作的前提，为确保电源供应的质量，必须对电源的纹波和噪声做测量。传统上，工程师通常只是对电源纹波做测量而忽视电源噪声的测量。而随着近几年电路集成规模和信号频率的日益提高以及对低功耗的追逐，导致信号环境日趋复杂，同时信号幅度和电源供电幅度均一下子就下降，相应地对电源纹波和噪声的要求日益提高。
事实上，近年来随着高速串行信号速率发展到几十个 Gbps，电源完整性的重要性正在日益凸显。电源纹波和噪声的干扰是影响高速数字串行总线传输质量的重要的因素之一，电源纹波和噪声的测试是电源完整性的一个重要方面。
今天我们将介绍采用 Keysight 硬件 10bit ADC 的高精度的示波器和专业的电源纹波和噪声测试探头 N7020A进行电源纹波和噪声测试的需要注意的几点和调试分析技巧。
工欲善其事，必先利其器。为了测试到 2 GHz 左右的电源噪声首先您必须有一台带宽达 2 GHz 的高精度低噪声示波器和探头组合，其次您还要掌握一定的测试技巧。
如上图所示，被测信号在耦合探头和示波器前端的噪声后最终在示波器上显示的波形也许与原始形状发生很大的变化，也就是说由于测量系统的原因带来非常大的测试误差。如果发生这种情况，显然测量工作反而会带来严重的误导！
另外进行电源纹波和噪声测试推荐采用衰减比为 1:1 的示波器探头，因为 1:1 衰减比的探头对信号没有衰减那么在示波器里也不会再进行放大，因此不会放大示波器前端的本底噪声。如下图示，采用最常见的 10:1 衰减探头信号噪声明显偏大，另外如果示波器本身的垂直刻度最小可设置为 1mV/Div，那么采用 10:1 探头则垂直刻度会自动设置为 10mV/Div，如果想测试 10mV 级别的纹波或噪声显然精度是没办法保证的，而采用 1:1 探头时垂直刻度则依然可以最小设置到 1mV/Div。
其次推荐一款专用的电源纹波和噪声测试探头— N7020A。该探头具有最高 2GHz 带宽，衰减比 1:1 左右，探头本身可设置 ±24V 垂直偏移，且其本身阻抗为 50KΩ@DC。
采用 N7021A 焊接电缆时 N7020A 探头带宽可达 2GHz 确保能支持测试到 2GHz 电源噪声，是目前业界最高带宽的电源纹波和噪声测试探头。±24V 垂直偏移设置可以在测试时可以直接在示波器里设置 Offset 值到电源直流值，然后再调节示波器的垂直刻度到 mV 级以进行 10mV 量级的纹波和噪声测试。过去为了测试直流分量上的纹波或噪声小信号通常不得不在示波器上设置 AC 耦合方式，但是 AC 耦合在滤除直流分量的同时也会将低频噪声和漂移也滤除掉。50KΩ 的 DC 阻抗则确保探头对电源分配网络(PDN)足够高阻，以免探头在介入电路探测时分压以此来降低测量值。
N7020A探头除了提供高达 2GHz 带宽的 N7021A 焊接连接方式外，还提供了方便灵活的N7023A探头附件如下图示:
该附件组件提供了多种灵活的连接方式，如传统的探头针尖和短弹簧地针点测，以及双列直插连接和贴片器件夹，分别如下图左中右所示。经实际工程检验贴片器件夹最小可 0201 封装贴片器件。
基于上述 S204A 示波器和 N7020A 1:1 衰减比探头的测试组合，已经有了非常良好的测试精度保证，还有什么其它需要注意的几点需要我们来关注呢？
测试电源纹波能将示波器硬件带宽限制到 20MHz。主要是为了尽最大可能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。如果开关频率较高，也可优先考虑设置示波器硬件带宽为 200 MHz。Keysight S 系列示波器内置了两档硬件带宽限制即20MHz 和 200MHz。内置的数学运算(Math-Low Pass Filter)还支持灵活的软件数字带宽限制。
比如测试 10mV 级的纹波和噪声，能调节垂直刻度到 1.5mV/Div，S 系列示波器每个通道都有专用的垂直刻度调节旋钮，该旋钮支持按压在粗调和微调之间切换。采用这一设置的目的是尽量用足示波器 ADC 的显示线. 设置示波器的波形采集或捕获方式为 12bit 高分辨率模式。
高分辨率模式(High Resolu tion Mode)相对一般采样模式 (Sampling Mode) 主要是将若干个采样点组成一组做平均，将这个平均值作为采样结果保存到采样存储器中，因此这是示波器的显示采样率会下降。这种平均类似滤波的效果，可以大大降低示波器的噪声。
以免接地线耦合其它干扰和噪声。长地线的寄生电感还会降低测试带宽。因此在 N7023A 的三种灵活测试组合中，采用探头针尖直接点测和短弹簧地针的组合效果最佳，当然采用双列直插连接和贴片器件夹的组合具有更佳的连接和测试方便性，因此有时需要在测试精度和连接方便性之间进行平衡。
以下图为例，黄色 CH1 波形是测得的 3.3V 的电源信号，f2 是采用 Horz Gateing 函数运算得到的一段水平放形。对 CH1 信号进行 FFT 运算能够正常的看到其频谱中包含 2.8 M 开关频率及其谐波分量和来自于 10 MHz 时钟的干扰。如果测试得到的纹波结果超过系统容许值，那么该怎么样改进呢？显然，2.8 MHz 的开关频率是已经选定的开关电源带来的，而 10 MHz 的时钟干扰是外来干扰，比较容易通过重新布线或其它方法去除。因此我们现在就需要对 10 MHz 的时钟干扰耦合进来的电源噪声数值进行定量分析。
因此将 10 MHz 时钟信号接入到 CH2，并设置触发源为 CH2。那么其它干扰源耦合到电源上的噪声因为与 10 MHz 时钟无关具有随机性。设置示波器的采集模式为平均，比如 1024 次平均，随机信号就被滤除掉。这时就能清楚的辨别出 3.3V 电源信号上因为 10 MHz 时钟产生的噪声和干扰的幅度。如下图示:
在ZDS2024 Plus示波器中接入一个3.3V的电源信号，探头档位使用X10档，进行电源纹波的测量，点击【Auto Setup】之后，经过调解水平时基，垂直档位和垂直偏移，能够获得如下图1所示。
从图中能够准确的看出，所测的波形夹杂着许多的噪声和杂波，直流、交流波形混在一起，没办法清晰的观察纹波，导致没办法准确的测量纹波的值。很多工程师测量纹波出现这样一种情况是因为没有掌握正确的纹波测量方法。
1、首先探头要选择正真适合的档位，如果电压比较大，或者对带宽要求比较高的情况下可使用X10档，普通情况下建议使用X1档，避免不必要的噪声衰减影响纹波的测量。
3、可适当的使用“带宽限制”功能，可选择“20MHz”带宽限制，将不必要的高频噪声滤除，如图3所示。
4、除此之外，更重要的一点就是要避免电磁辐射等对信号的干扰，所以在测量时建议使用“接地弹簧”接地，避免长接地线带来的不必要干扰。
5、触发方式能选用边沿触发，触发模式可以在Auto/Normal状态下均可。
6、适当调整水平时基，垂直档位和垂直偏移，使波形信号在屏幕的中央以较好的效果显示。
纹波测试一般以峰峰值来表示，具体能够正常的使用【measure】进行自动测量，ZDS2000系列示波器支持51种真正意义的参数测量统计功能，基于全存储深度的基础上测量纹波的参数，或者也能够正常的使用“一键光标”进行手动测量，如下图6所示。
从测量中能够正常的看到，本次电源纹波的峰峰值为18mv，Intel在ATX12V规范中规定，+12V输出纹波峰峰值不允许超出120mv，+3.3V与+5V纹波峰峰值不允许超出50mv，纹波越小电源质量就越高。
ZDS2014、ZDS2024、ZDS2024 Plus示波器具备功能完善的电源分析功能，开发的人能十分便捷地测量输出纹波、1~40次谐波含量、开关电源的功率、MOS管的开关损耗以及开关元件的安全工作区等大量的参数，可以大幅度提升开发效率。
ZDS2024 Plus示波器轻松帮您搞定电源纹波测试，51种真正意义的参数测量，基于全存储深度的基础上，精准测量出您想要的数据。
瞬态。它们看起来像是简单的测量指标，但是为了获得正确的数据，应记住两个重要方面。第一个方面是使用示波器探针时的测量技术，第二个方面是指定数据时需要遵守的特定条件。>
在尝试测量纹波或瞬态之前，应讨论使用示波器探测的一些背景条件。由于可能会以毫伏为单位测量相关信号的幅度，所以经过放大的内部信号或被拾取的外部信号都很容易变得模糊或扭曲并导致产生不正确的结果。通过适当的探针测量技术来缓解这一情况是非常非常重要的环节。测试人员要确保顺利测量，最重要的工作就是最大限度地减少探针产生的接地回路。探针返回路径产生的环路会产生电感，可以放大内部噪声并拾取外部噪声。探针通常带有鳄口式接地夹，与下图所示相似。这些接地夹虽然连接简单，却会导致产生很大的接地回路，不建议用于这些测量。相反，有两种常见的优选方法可用于实现小型接地回路：“针尖针筒”测量法和“回形针”测量法。
针尖针筒测量法能够移除接地盖和探针夹，露出探针的尖端和针筒。然后将探针的尖端探入输出电压，并调整针筒角度，使它在非常靠近尖端的点处接地。这种方法的一个缺点是，可触及的探针点或者尖端和针筒都能探入的点可能不是理想位置，而且/或者与任何输出电容器都间隔一定的距离。理想情况下，应尽可能靠近输出电容器放置探针。
纹波是由电源内部切换引起的输出电压的固有交流分量。噪声体现了电源内的寄生效应，表现为输出电压上的高频电压尖峰。数据表指定了由纹波和噪声引起的输出电压的最大峰峰值偏差。如上所述，务必要使用良好的探测方法以确保测量结果能够精确地表示电源的纹波和噪声。测试纹波和噪声时，需要记住几个条件。首先，负载对纹波有特别大的影响，因而务必要根据数据表的规定，在相同的负载条件下（通常是满载）做测量。输入电压也会影响纹波，所以应在所有相关输入电压下执行测试。除电气条件外，许多制造商还指定了一些外部电容器（通常是具有10μF的电解电容器和0.1μF的陶瓷电容器）。这些电容器安装于电源的输出端，用于做测量。应当靠近这些电容器放置探针。最后，通常在示波器通道上为该测量指标指定20 MHz带宽限制。通常只需一个示波器探针来执行该测试，探针使用上文所述测量方法，穿过输出电容器或指定的外接电容器。
不良和良好的探针测量示例：大型接地回路纹波和噪声测量（左）与“回形针”探测法（右）
瞬态响应是输出电压可能由于负载变化而偏离的量。负载发生明显的变化时，电源不能立即对新条件作出反应，因而存储的能量会变得过多或不足。能量过剩或缺乏能量问题将由输出电容器负责解决。它们要么通过消耗电荷来维持负载因此导致电压降低，要么就会储存多余的能量因此导致电压升高。通过几个交换循环，电源将调整为仅存储负载所需的能量，而输出电压将恢复标称值。测量瞬态响应时，输出电压偏离其标称值的量、恢复所需的时间或电压超出规定调节限值的时间都会产生一定的影响。与纹波和噪声（只有负载和输入电压条件限制）不同，瞬态响应具有一些可能会影响其测量的其他条件。要注意的重要条件是施加的负载阶跃的转换速率、启动电流和结束电流。转换速率对瞬态响应有特别大的影响，因为在电源能够赶上变化的条件之前，负载变化越快，输出偏离的量就越大。启动和结束电流的电平也会产生一定的影响。电源在轻负载时通常表现不同，并且跨越这些区域的瞬态可能会引起电源的反应不同于在同一区域发生瞬态时的反应。启动和结束电流以及转换速率还决定了电流变化的时间，并且应该符合指定的条件。用户要两个示波器通道进行瞬态响应测量。第一个探针应穿过靠近输出引脚或调节点的电源输出。测量远离调节点的输出电压将导致两个负载状态之间产生直流偏差，这是由输出电缆中的压降引起的。第二个探针应该用于电流或与瞬态负载变化同步的信号。该探针将用作触发器，以便可以清楚地看到产生的输出电压偏差。