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如何準確測量電源噪聲

嘉峪檢測網(wǎng) 2024-04-23 08:41

1、科技的發(fā)展對電源的要求越來越高

隨著科技的日益發(fā)展，電子產(chǎn)品上所用芯片的電源電壓也越來越小，從早期的5V逐步降低到了1.2V，某些芯片的核電壓甚至到了1V或更低。電壓越小，芯片對電壓波動也變得越敏感。

通常用電源噪聲來表征電源電壓的波動，其要求通常是電源電壓的±5%到±1.5%，有的芯片要求甚至更低。如果芯片的電源噪聲沒有達到規(guī)范要求，輕則影響產(chǎn)品的性能，重則影響整機的可靠性。因此工程師需要準確地測量電源噪聲。

▲圖1 日益發(fā)展的技術(shù)對電源要求越來越高

2、電源噪聲的特點

1、更小幅度，更高頻率

以往電源噪聲的幅度規(guī)范一般在幾十mV，但是隨著芯片電源電壓的降低，很多芯片的電源噪聲的規(guī)范已經(jīng)低至mV的量級，某些對電源噪聲敏感的芯片要求甚至到了百uV的量級。

電源上的噪聲是數(shù)字系統(tǒng)中時鐘和數(shù)據(jù)抖動的主要來源。處理器、內(nèi)存、模數(shù)轉(zhuǎn)換和射頻等等芯片對直流電源的動態(tài)負載隨著各自時鐘頻率而發(fā)生，還有可能在直流電源上耦合高速瞬態(tài)變化和噪聲，它們通常包含了GHz以上的頻率成分。

▲圖2 傳統(tǒng)電源和芯片電源對頻率范圍和噪聲幅度要求不同

因此與傳統(tǒng)的SMPS電源相比，芯片電源的噪聲具有頻率高/幅度小等特點，這就使得工程師的測試工作充滿了挑戰(zhàn)---即如何準確地測試分布在GHz帶寬內(nèi)mV級別的電源噪聲。

2、電源分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）引入的噪聲干擾

為了保證電路上各個芯片的供電，電源分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）遍布整個PCB。如果電源分布網(wǎng)絡(luò)靠近時鐘或者數(shù)據(jù)的PCB走線，那么時鐘/數(shù)據(jù)的變化會耦合到電源分布網(wǎng)絡(luò)上，也會成為電源噪聲的來源。

在這種情況下，工程師還需要定位電源噪聲的來源，以便后續(xù)調(diào)整電子產(chǎn)品的PCB布局和布線，減少PDN網(wǎng)絡(luò)受到的干擾。

▲圖3 時鐘/數(shù)據(jù)傳輸線耦合到電源分布網(wǎng)絡(luò)的干擾

3、影響電源噪聲測試準確性的因素

示波器是電源噪聲測試的重要儀器。為了能夠準確地測量GHz帶寬內(nèi)mV級別的電源噪聲，并定位干擾電源分布網(wǎng)絡(luò)的噪聲來源，需要考慮如下因素：示波器的底噪，探頭的衰減比，測試系統(tǒng)的偏置補償能力，探頭的探接方式，以及示波器的FFT能力等等。

1、示波器的底噪

示波器本身是有底噪的。當示波器測試電源噪聲時，其自身的底噪會疊加在被測的電源噪聲上。如果示波器本身的底噪很大，那么會嚴重影響電源噪聲的測試準確度。

▲圖4 示波器底噪對電源噪聲測試結(jié)果的影響

2、探頭的衰減比

業(yè)界最常用的500MHz帶寬的無源探頭的衰減比為10:1，其會將示波器的底噪放大十倍，導致電源噪聲測試的不確定性。

如果采用傳統(tǒng)的衰減比為1:1的無源探頭，可以避免放大示波器的底噪。但是這種探頭的帶寬通常只有38MHz，無法測到更高頻率的電源噪聲。同樣會導致電源噪聲測試的不確定性。

如左下圖，10：1的無源探頭測試電源噪聲明顯偏大；右下圖的1：1無源探頭測得電源噪聲正常，但是高頻的毛刺無法顯示。

▲圖5 探頭的衰減比對電源噪聲測試的影響

3、示波器的偏置補償能力

電源噪聲是疊加在電源電壓上的，為此測試時需要將示波器的偏置電壓設(shè)到與直流電壓相等的水平，再測量電源的噪聲。例如某芯片的供電電壓是3.3V，首先將示波器的偏置電壓調(diào)到3.3V，然后再測試3.3V直流電源上的mV級別的噪聲波動。

但是示波器的垂直刻度的擋位受限于偏置電壓，在該偏置電壓下垂直刻度只能到20mV/div。用20mV/div的垂直刻度測試mV級別的電源噪聲，顯然會帶來很大的誤差。

為了解決類似問題，通常會使用隔直電容（或DC-Block）去除電源的直流電壓，但如此操作會導致直流電源壓縮和丟失電源的低頻特征。此外如果電容的容值選取不當，還會影響高頻噪聲的測量準確性。

▲圖6 示波器的偏置補償能力受限

▲圖7 隔直電容影響低頻特征

4、探頭的探接方式

電路形態(tài)各異，需要有更靈活的方法來進行信號的探接。探接的穩(wěn)定性和寄生參數(shù)對被測電源電路的影響不可忽視，所以需要盡量貼近芯片的管腳，并使用短地線。

▲圖8 探頭貼近芯片管腳，使用短地線

5、示波器的FFT能力

由于電源分布網(wǎng)絡(luò)PDN會受到干擾噪聲的來源，因此需要示波器具有強大的FFT分析能力，以便分析的干擾噪聲的頻率，進而排查噪聲的源頭。

▲圖9 FFT分析電源噪聲的頻譜

4、羅德與施瓦茨(R＆S)電源噪聲測試方案

為了準確地測量電源噪聲，R&S提供了示波器主機和專門的Power Rail電源軌探頭。

1、測試儀器

R&S推出的MXO5和MXO4系列示波器，帶寬最大2GHz，采用了12bit位數(shù)的ADC（HD模式下，分辨最低可達18bit），使得示波器的底噪在百uV級別，垂直刻度擋位最小可達0.5mV/div（硬件實現(xiàn)，非放大），使得準確測量GHz帶寬內(nèi)mV級別的電源噪聲成為可能。該系列示波器還具有強大的頻譜分析功能，幫助工程師快速排查干擾噪聲的來源。