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。