小電壓電源噪聲的測量

當今的電子產(chǎn)品，信號速度越來，越快，集成電路芯片的供電電壓也越來越小，90年代芯片的供電通常是5v和3.3V，而現(xiàn)在，高速Ic的供電通常，為2.5V，1.8V或1.5v等等，供電電壓越小，對電壓的波動要求也就越高。對于這類電壓較低的直流電源的電壓測試簡稱電源噪聲測試。

影響電源噪聲測試結(jié)果的主要因素

影響電源噪聲測試結(jié)果的主要因素有：在電源噪聲測試中，通常有如下幾個問題導致測量不準確。

是否需要增加20MHz的濾波

過去我們在進行電源紋波測試過程中，由于電源導致的噪聲頻率通常比較低，因此通常默認需要加20MHz的濾波，目的是濾除高于20MHz以上的噪聲，來驗證主要由于電源因素引起的噪聲大小。但是在實際情況下，往往還需要驗證在所有頻段上電源上的噪聲情況如何，因此我們需要提前弄清楚是否需要增加20MHz的濾波。如下圖所示為某DDR2/DDR3對電源紋波的要求：

量化誤差

示波器存在量化誤差，通常實時示波器的ADc為8位，把模擬信號轉(zhuǎn)化為2的8次方(即2s6個)量化的級別，當顯示的波形只占屏幕很小一部分時，則增大了量化的間隔，減小了精度，準確的測量需要調(diào)節(jié)示波器的垂直刻度(必要時使用可變增益)，盡量讓波形占滿屏幕，充分利用ADC的垂直動態(tài)范圍。在圖3中藍色波形信號(c3)的垂直刻度是紅色波形(C2)四分之一，對兩個波形的上升沿進行放大(F1=ZOOM(c2)，F(xiàn)2=ZOOM(c3))，然后對放大的波形作長余輝顯示，可以看到，右上部分的波形F1有較多的階梯(即量化級別)，而右下部分波形F2的階梯較少(即量化級別更少)。如果對c2和C3兩個波形測量一些垂直或水平參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)占滿屏幕的信號c2的測量參數(shù)統(tǒng)計值的標準偏差小于后者的。說明了前者測量結(jié)果的一致性和準確性。

另外為了更加精確的測量小電壓的電源噪聲，可以選擇使用具有更高ADC位數(shù)的示波器，如力科新推出的12位HRO系列的示波器。

避免使用衰減因子大的探頭測量小電壓

通常測量電源噪聲。使用有源或者無源探頭，探測某芯片的電源引腳和地引腳，然后示波器設(shè)置為長余輝模式，最后用兩個水平游標來測量電源噪聲的峰峰值。這種方法有一個問題是，常規(guī)的無源探頭或有源探頭，其衰減因子為10，和示波器連接后，垂直刻度的最小檔位為20mV，在不使用DSP濾波算法時，探頭的本底噪聲峰峰值約為30mV。以DDR2的1.8V供電電壓為例，如果按5％來算，其允許的電源噪聲為90mV，探頭的噪聲已經(jīng)接近待測試信號的1/3，所以，用10倍衰減的探頭是無法準確測試1.8V/1.5V等小電壓。在實際測試1.8V噪聲時，垂直刻度通常為5-10mV/div之間。

對于小電源的電壓測試，我們推薦衰減因子為1的無源傳輸線探頭。使用這類探頭時，示波器的最小刻度可達2mV/div，不過其動態(tài)范圍有限，偏移的可調(diào)范圍限制在+/750mV之間，所以，在測量常見的1.5V、1.8V電源時，需要隔直電路(DcBlock)后再輸入到示波器。

如圖4為力科的PP066傳輸線探頭，該探頭的地與信號的間距可調(diào)節(jié)，探頭的地針可彈性收縮、操作起來非常方便。通過同軸電纜加隔直模塊后連接到示波器通道上。

在電源噪聲測試中，還存在示波器通道輸入阻抗選擇的爭議。示波器的通道有DC50/DCIM/ACIM三個選項可選(對于高端示波器，可能只有DC50一個選項)。一些工程師認為應(yīng)該使用1MΩ的輸入阻抗，另一些認為50Ω的輸入阻抗更合適。

在測試中我們發(fā)現(xiàn)：如果使用1倍衰減的探頭測試，當示波器通道輸入為1MΩ時，通常其測量出的電源噪聲大于50Ω輸入阻抗的。原因是：高頻電源噪聲從同軸電纜傳輸?shù)绞静ㄆ魍ǖ篮螅斒静ㄆ鬏斎胱杩故?0Ω時，同軸電纜的特性阻抗50Ω與通道的完全匹配，沒有反射；而通道輸入阻抗為1MΩ時，相當于是高阻，根據(jù)傳輸線理論，電源噪聲發(fā)生反射，這樣，導致IMΩ輸入阻抗是測試的電源噪聲高于s0Ω的。所以、測量小電源噪聲推薦使用50Ω的輸入阻抗。

減少探頭地環(huán)路路徑

另外，探頭的GND和信號兩個探測點的距離也非常重要，當兩點相距較遠，會有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號回路中(如圖2所示)，示波器觀察的波形包括了其他信號分量，導致錯誤的測試結(jié)果。所以要盡量減小探頭的信號與地的探測點間距，減小環(huán)路面積。

電源噪聲的頻譜成分分析

在準確測量到電源噪聲的波形后，可以計算出噪聲的峰峰值，如果電源噪聲過大，則需要分析噪聲來自哪些頻率，這時，需要對電源噪聲的波形進行FFT，轉(zhuǎn)化為頻譜進行分析。FFT中信號時間的長度決定了FFT后的頻譜分辨率，在力科示波器中，支持業(yè)界最大的128M個點的FFT，能準確定位電源噪聲來自于哪些頻率(其頻譜分辨率是同類儀器的40倍以上)。

如圖6所示為某光模塊的3.3V電源的噪聲。其噪聲的頻譜最高點的頻率為311.6kHz。這個光模塊輸出的，1.25Gbit/s光信號的抖動測試中發(fā)現(xiàn)了同樣的312kHz的周期性抖動。在圖，7中可以看到，把1.25G串行信號的周期性抖動分解后(PIbreakdown菜單)，發(fā)現(xiàn)312kHz的周期性抖動為63.7ps，在眼圖中也明顯可以觀察到抖動。通過這個案例說明，電源噪聲很可能導致一些高速信號的眼圖和抖動變差。對電源噪聲進行頻譜分析，能有效定位噪聲的來源，指引調(diào)試的方向。

在使用示波器測量電源噪聲時，為了保證測量精度，需要選擇足夠的采樣率和采集時間。推薦采樣率在500Msa/s以上，這樣奈科斯特頻率為250M，可以測量到250MHz以下的電源噪聲，對于目前最普及的板級電源完整性分析，250M的帶寬已足夠。低于這個頻率的噪聲可以使用陶瓷電容、PCB上緊耦臺的電源和地平面來濾波。而高于這個頻率的只能在封裝和芯片級的去耦措施來完成了。

波形的采集時間越長，則轉(zhuǎn)化為頻譜后的頻譜分辨率(即delta f)越小。通常我們的開關(guān)電源工作在10KHz以上，如果頻譜分辨率要達到100Hz的話，至少需要采集lores長的波形，在500MSa/s采樣率時，示波器需要500MSa/s10 ms=5Mpts的存儲深度。

12位ADC示波器對電源噪聲測量的應(yīng)用價值

力科在推出其新款高帶寬示波器(45GHZ的帶寬、120GS/s的采樣率、768MS的存儲深度)的同時，也在提升其低中端示波器的性能。不僅對老款型號的WaveSurfer xs系列、WaveRunner xi系列示波器進行了更新(WaveSurfer Xs-B，WaveRunner 6Zi)，新款產(chǎn)品不僅指標有了進一步的提升，而且速度性能、分析能力、觸發(fā)方法都有了相當程度的提升。除此以外，為了應(yīng)付電子行業(yè)越來越多的小信號的測量，力科還劃時代的推出了其12為ADc的實時數(shù)字示波器WaveRunner HRO 6Zi。具體型號和指標如下：

·有400MHZ帶寬和600MHZ帶寬兩種型號：

·每個通道2GS/S的采樣率：

·最大存儲深度256MS：

·12位ADc位數(shù)(ERES軟件增強為15位)：

·具有和高端示波器相當?shù)乃俣刃阅堋⒑瘮?shù)測量及分析功能、高級FFT運算功能、高級觸發(fā)功能等。

使用12位示波器測量電源噪聲等小幅度信號時可得到更好的量化誤差，信噪比更好，能夠更好的分辨出電源噪聲。如圖8所示為8位的示波器和12位的示波器對噪聲測試結(jié)果的對比。