電源噪聲的測(cè)試

探頭的GND和信號(hào)兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)的距離過(guò)大

圖一：示波器DC的量化誤差示波器存在量化誤差，實(shí)時(shí)示波器的ADC為8位，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為2的8次方(即256個(gè))量化的級(jí)別，當(dāng)顯示的波形只占屏幕很小一部分時(shí)，則增大了量化的間隔，減小了精度，準(zhǔn)確的測(cè)量需要調(diào)節(jié)示波器的垂直刻度(必要時(shí)使用可變?cè)鲆?，盡量讓波形占滿屏幕，充分利用ADC的垂直動(dòng)態(tài)范圍。在圖一中藍(lán)色波形信號(hào)(C3)的垂直刻度是紅色波形(C2)四分之一，對(duì)兩個(gè)波形的上升沿進(jìn)行放大(F1=ZOOM(C2), F2=ZOOM(C3))，然后對(duì)放大的波形作長(zhǎng)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(jí)別)，而右下部分波形F2的階梯較少(即量化級(jí)別更少)。如果對(duì)C2和C3兩個(gè)波形測(cè)量一些垂直或水平參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)占滿屏幕的信號(hào)C2的測(cè)量參數(shù)統(tǒng)計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于后者的。說(shuō)明了前者測(cè)量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。

通常測(cè)量電源噪聲，使用有源或者無(wú)源探頭，探測(cè)某芯片的電源引腳和地引腳，然后示波器設(shè)置為長(zhǎng)余輝模式，最后用兩個(gè)水平游標(biāo)來(lái)測(cè)量電源噪聲的峰峰值。這種方法有一個(gè)問(wèn)題是，常規(guī)的無(wú)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(shí)，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(lái)算，其允許的電源噪聲為90mV，探頭的噪聲已經(jīng)接近待測(cè)試信號(hào)的1/3，所以，用10倍衰減的探頭是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)試1.8V/1.5V等小電壓。在實(shí)際測(cè)試1.8V噪聲時(shí)，垂直刻度通常為5-10mV/div之間。

另外，探頭的GND和信號(hào)兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)的距離也非常重要，當(dāng)兩點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，會(huì)有很多

圖二：探頭上的信號(hào)電流回路 EMI噪聲輻射到探頭的信號(hào)回路中(如圖二所示)，示波器觀察的波形包括了其他信號(hào)分量，導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。所以要盡量減小探頭的信號(hào)與地的探測(cè)點(diǎn)間距，減小環(huán)路面積。

圖三：力科PP066探頭示意圖對(duì)于小電源的電壓測(cè)試，我們推薦衰減因子為1的無(wú)源傳輸線探頭。使用這類探頭時(shí)，示波器的最小刻度可達(dá)2mV/div，不過(guò)其動(dòng)態(tài)范圍有限，偏移的可調(diào)范圍限制在+/-750mV之間，所以，在測(cè)量常見的1.5V、1.8V電源時(shí)，需要隔直電路(DC-Block)后再輸入到示波器。

如圖三為力科PP066探頭，該探頭的地與信號(hào)的間距可調(diào)節(jié)，探頭的地針可彈性收縮，操作起來(lái)非常方便。通過(guò)同軸電纜加隔直模塊后連接到示波器通道上。

也可以把同軸電纜剝開，直接把電纜的信號(hào)和地焊接到待測(cè)試電源的電源和地上。在圖四中把SMA接頭的同軸電纜的一段剝開，焊接到了電腦主板的DDR2供電的1.8V上面，測(cè)量其電源噪聲。

圖四：測(cè)量某電腦主板DDR2的1.8V的電源噪聲

在準(zhǔn)確測(cè)量到電源噪聲的波形后，可以計(jì)算出噪聲的峰峰值，如果電源噪聲過(guò)大，則需要分析噪聲來(lái)自哪些頻率，這時(shí)，需要對(duì)電源噪聲的波形進(jìn)行FFT，轉(zhuǎn)化為頻譜進(jìn)行分析。FFT中信號(hào)時(shí)間的長(zhǎng)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(gè)點(diǎn)的FFT，能準(zhǔn)確定位電源噪聲來(lái)自于哪些頻率(其頻譜分辨率是同類儀器的40倍以上)。

圖五：測(cè)量某3.3V的電源噪

如圖五所示為某光模塊的3.3V電源的噪聲。其噪聲的頻譜最高點(diǎn)的頻率為311.6KHz。這個(gè)光模塊輸出的1.25Gbps光信號(hào)的抖動(dòng)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)了同樣的312KHz的周期性抖動(dòng)。在圖六中可以看到，把1.25G串行信號(hào)的周期性抖動(dòng)分解后(Pj breakdown菜單)，發(fā)現(xiàn)312KHz的周期性抖動(dòng)為63.7皮秒，在眼圖中也明顯可以觀察到抖動(dòng)。通過(guò)這個(gè)案例說(shuō)明，電源噪聲很可能導(dǎo)致一些高速信號(hào)的眼圖和抖動(dòng)變差。對(duì)電源噪聲進(jìn)行頻譜分析，能有效定位噪聲的來(lái)源，指引調(diào)試的方向。

在使用示波器測(cè)量電源噪聲時(shí)，為了保證測(cè)量精度，需要選擇足夠的采樣率和采集時(shí)間。

推薦采樣率在500MSa/s以上，這樣奈科斯特頻率為250M，可以測(cè)量到250MHz以下的電源噪聲，對(duì)于目前最普及的板級(jí)電源完整性分析，250M的帶寬已足夠。低于這個(gè)頻率的噪聲可以使用陶瓷電容、PCB上緊耦合的電源和地平面來(lái)濾波。而高于這個(gè)頻率的只能在封裝和芯片級(jí)的去耦措施來(lái)完成了。

波形的采集時(shí)間越長(zhǎng)，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(dá)到100Hz的話，至少需要采集10ms長(zhǎng)的波形，在500MSa/s采樣率時(shí)，示波器需要500MSa/s * 10 ms = 5M pts的存儲(chǔ)深度。