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的定位問題，相反，示波器或者探頭選擇不當也會帶來測試波形失真，結果精準度不夠等一系列問題，甚至影響產品研發的性能。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、無源探頭，對主板POL電源紋波的測試效果做個測評對比，看看電源測試過程中怎樣選出性價比最高的那款探頭，在滿足測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經費增加不必要的負擔^-^。
- （1） 示波器選擇
這篇文章主要想對比各類探頭的性能，所以示波器就簡單說明下：本次選擇了泰克6系示混合信號波器，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對比測評。
- （2） 無源探頭
本次測試選擇的是TPP1000無源單端探頭，一般無源單端探頭的原理示意圖如下：
圖1.無源單端探頭示意圖
看到一般10X無源探頭前端主要由一個9M電阻和補償電容組成，示波器接口處的輸入阻抗為1M（一般示波器會自動匹配）。TPP1000探頭的參數可簡單歸納如下：
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
本次測試選擇的是TDP1500無源單端探頭，一般無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差動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（一般示波器會自動匹配）。本次選用的TDP1500探頭的參數可簡單歸納如下：
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
本次測試選擇市面上常見的同軸線纜作為對比，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（示波器可能無法自動匹配），上圖中黑色箭頭僅表示輸入方向。本次選用市面上常見的1.5m BNC轉SMA同軸線，其參數可簡單歸納如下：
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
本次測試選擇的是TDR4000有源紋波探頭，其基本結構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（這也是其區別于同軸線纜的關鍵部分）。本次選用TDR4000有源紋波探頭，其參數可簡單歸納如下：
1）1．25X衰減比
2）4GHz帶寬
3）輸入阻抗50Ω
4）輸入動態范圍±1V
5）DC offset ±60V
以上是對本次測評的探頭和示波器的一個簡單介紹，不是很深入，但我感覺還是挺實用的，需要進一步深入了解探頭和示波器參數的同學可以參考官網資料哈。下面正式進入測評環節：
- （1） 實驗環境搭建
測試在實驗室環境下進行，待測設備為計算機主板，測試點選擇的是CPU底部去耦電容兩端（VCC/GND），電壓1.1V，負載電流60A左右。采用上述無源探頭TPP1000、低壓差分探頭TDP1500、電源紋波探頭TDR4000以及同軸線纜作為對比，僅關注輸出電壓在20MHz帶寬下的紋波，以及500MHz-1GHz下的噪聲參數。
圖5.測試環境
四種探頭與測點的連接方式如下圖所示，其中，無源單端探頭TPP1000通過自行繞制的接地環與CPU底部的去耦電容相連；同軸線纜前端通過細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通過標準2.54排針與去耦電容連接，盡量讓探棒和被測平面垂直；紋波專用探頭TPR4000則通過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量結果
主板上電，進操作系統后，運行SPEC2006（CPU性能測試腳本）5min，抓取測試數據如下圖所示（示波器帶寬限制為20MHz）。其中，CH1（黃色）為專用紋波探頭TPR4000測試數據， CH2（藍色）為同軸線纜測試數據，CH3（紅色）為有源差分探頭TDP1500測試數據，CH4（綠色）為無源單端探頭TPP1000測試數據。測試項主要抓取了各個通道的電壓峰峰值。
圖7.四種探頭20M帶寬下測試結果
可以看到，四種探頭記錄的數據總體差距不大，依次為：
CH1（黃色）62.69mV; CH2（藍色）64.69mV; CH3（紅色）62.89mV; CH4（綠色）68.59mV
圖8.四種探頭20M帶寬下測試結果（放大OVS）
可以看到，在瞬態負載下，四種探頭記錄的數據依然差距不大，依次為：
CH1（黃色）57.49mV; CH2（藍色）58.2mV; CH3（紅色）57.12mV; CH4（綠色）59.06mV
這就說明如果僅僅是20MHz帶寬下測量電源的紋波電壓，那么可以選擇以上任何一種探頭作為測試工具，但一定要注意測試手法，探頭與測點的連接方式等。
補充一點，雖然說各種探頭測量的結果差距不大，但細節上，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帶寬下測試細節對比
如上圖所示：CH1（黃色）采用專用紋波探頭TPR4000測量，CH2（藍色）采用有源差分探頭TDP1500測量，顯然采用專用紋波探頭能夠抓到更加規則，清晰的紋波包絡。
- （3） 500MHz帶寬限制下的電源紋波測量結果
測試條件為主板上電，進操作系統后靜置，但把示波器帶寬限制改為500MHz
圖9.四種探頭500M帶寬下測試結果
可以看到，四種探頭記錄的數據差距較大，依次為：
CH1（黃色）40.19mV; CH2（藍色）85.83mV; CH3（紅色）20.05mV; CH4（綠色）38.4mV
由于CH3采用TDP1500有源差分探頭，和示波器沒有共地，所以沒有地噪聲的干擾，測到的噪聲最小，CH2采用同軸線纜，但由于無法設置直流偏置，所以只能在交流耦合、1MΩ輸入阻抗下測試，測到的噪聲最大（不可取），CH4單端探頭TPP1000和CH1紋波探頭TPR4000測到的結果接近。
這就說明如果測試高帶寬（500MHz以上）的電源噪聲（負載端），那么還是應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） 示波器探頭對比和選擇
通過上述測試，主要對四類探頭的電源紋波和噪聲進行了測試。但問題是在電源測試過程中我們應該如何選擇這四種類型的探頭？
說到選擇儀器設備，那無外乎性能、價格、易用性這幾個條件，追求性價比自然是最終的目標。我先把上面四類探頭的價格信息羅列如下：
1）1.5m同軸線纜：15-20元
2）無源單端探頭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？如果只測試20MHz電源紋波的話是不是感覺完全可以用20元的同軸代替80000元的紋波專用探頭？
但仔細對比的話同軸線纜作為測試工具還是有很多缺陷的，首先，它的前端需要采用細的漆包線或者其他線纜引出，焊接到測試點，而這一段線纜的阻抗不好控制，會限制帶寬。然后，也是最重要的原因，它無法設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行測試，這樣的話就會帶來阻抗不匹配，低頻分量損失等問題。最后，除紋波電壓峰峰值之外它也無法測量電信號整體的一個變化趨勢，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題，它的偏置電壓可在±60V范圍內調節，而且50KΩ的輸入阻抗也減輕了同軸線纜直連負載時帶來的負載效應，同時也能夠清楚地區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證設計。
再來看有源差分探頭，既然紋波探頭可以在如此大的范圍內調節偏置電壓，那是不是它可以完全替代有源差分探頭TDP1500呢？其實不是，紋波專用探頭的優勢在于采用低噪聲，高帶寬，大偏置，依然是測量小信號專用，但它其實和同軸電纜有類似的問題，就是無法測試信號的整體變化趨勢，也就是電壓RANGE范圍不夠，根據手冊，TPR4000的RANGE只有±1V，這就無法測試輸出電壓從0V到3.3V、5V等上電啟動的波形，特別是上升時間的測量精度肯定不會很高。下面是截取的TRP4000的動態范圍參數：
圖10.TPR4000輸入動態范圍
作為對比，下面列出了有源差分探頭TDP1500的動態參數：
圖11.TDP1500輸入動態范圍（1X）
圖12.TDP1500輸入動態范圍（10X）
可以看出，有源差分探頭TDP1500的輸入動態范圍有兩種情況，在1:1衰減比情況下，能達到850mV，而在10:1衰減比情況下，能達到8.5V，前者適合測試紋波電壓等小信號，后者則可以用來測試大信號電壓變化，比如上下電時序等，有助于分析問題。
最后，再來看無源單端探頭TPP1000。毫無疑問這是最通用的一種探頭，擁有1GHz帶寬和300V最大耐壓，而這個300V也是它的動態范圍。看上去似乎也很完美，但為什么我們要多花6-7萬元去購買差分探頭和紋波探頭呢？一個原因是它的衰減比為10:1，還有一個更重要的原因是它的線纜并非50Ω阻抗線，也沒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，在高速信號傳輸時也會因阻抗不匹配而產生反射。一句話總結就是，它適合測試低頻低速信號，不太適合測量快速變化的高速信號。
綜合上述測評和分析，在電源紋波&噪聲的測試中，如果資金充足建議選擇專用紋波探頭（高頻低壓小信號測試）+差分探頭（中低壓信號測試）+無源單端探頭（低頻高壓信號測試），這樣既可覆蓋全頻段，全動態輸入電壓范圍的測試需求（預算大概20W以內的樣子吧）；如果資金有限，可以選擇一個差分探頭，代替專用紋波探頭使用，最好在搭配一個無源單端探頭（預算大概10W以內）；如果實在沒有銀兩，那直接采用無源單端探頭測試電源紋波和噪聲也是可以的，不過就要在測試手法，測試環境方面多下些功夫了，特別是噪聲測試，很容易出現一千個測試者測出一千個哈姆雷特的窘境。