影響電源噪聲測試準確性的因素？如何準確測量電源噪聲？

隨著科技的日益發展，電子產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范要求，輕則影響產品的性能，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 日益發展的技術對電源要求越來越高

電源噪聲的特點

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更小幅度，更高頻率

以往電源噪聲的幅度規范一般在幾十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范已經低至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。

電源上的噪聲是數字系統中時鐘和數據抖動的主要來源。處理器、內存、模數轉換和射頻等等芯片對直流電源的動態負載隨著各自時鐘頻率而發生，還有可能在直流電源上耦合高速瞬態變化和噪聲，它們通常包含了GHz以上的頻率成分。

▲圖2傳統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---即如何準確地測試分布在GHz帶寬內mV級別的電源噪聲。

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電源分布網絡（PDN）引入的噪聲干擾

為了保證電路上各個芯片的供電，電源分布網絡（PDN）遍布整個PCB。如果電源分布網絡靠近時鐘或者數據的PCB走線，那么時鐘/數據的變化會耦合到電源分布網絡上，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，以便后續調整電子產品的PCB布局和布線，減少PDN網絡受到的干擾。

▲圖3 時鐘/數據傳輸線耦合到電源分布網絡的干擾

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mV級別的電源噪聲，并定位干擾電源分布網絡的噪聲來源，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。

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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果的影響

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探頭的衰減比

業界最常用的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

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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

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探頭的探接方式

電路形態各異，需要有更靈活的方法來進行信號的探接。探接的穩定性和寄生參數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。

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示波器的FFT能力

由于電源分布網絡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

羅德與施瓦茨中（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。

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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，非放大），使得準確測量GHz帶寬內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。

Power Rail電源軌探頭RT-ZPR20（2GHz）/ RT-ZPR40（4GHz）具有優異的性能，專門為電源測試量身打造。

其主要特性有：

1、在2GHz/4GHz帶寬內具備1：1的衰減比，保證能夠測試到GHz帶寬mV級別的電源噪聲；

2、探頭具有50Kohm的高直流輸入阻抗，相對毫ohm級別阻抗的電源平面，可以最大程度地降低對待測電源的影響；

3、探頭內置±60V的偏置能力，提升測試系統的偏置補償能力。測試電源噪聲時，使用探頭內部的偏置與待測電源保持一致，示波器的垂直刻度的擋位可以調至最小的0.5mV/div;

4、探頭內部集成了16位數字電壓計，實現同步讀取被測電源的直流電壓數值，并且可以一鍵精準設置測試系統的偏置電壓；

5、專用的同軸探測線纜可焊接到電源濾波電容的兩端，點測附件則便于PCB上不同位置的輕松探測。

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▲圖11RT-ZPR系列探頭性能指標及各種連接方式

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測試實例

下面介紹利用MXO5示波器和Power Rail電源軌探頭RT-ZPR20測試電源噪聲，并排查噪聲來源的實例。

▲圖12 一次探接即可獲得電源噪聲以及干擾源

將RT-ZPR20探頭連接到測試點后，按照如下操作進行測試：

1.RT-ZPR20內置電壓計實現高精度DC電壓測試，測得電源電壓為1.82V；

2.RT-ZPR20的偏置電壓設到1.82V附近，并將示波器垂直刻度設到10mV/div；

3.示波器測得電源噪聲波形，從時域波形上發現有明顯的干擾噪聲；

4.對電源噪聲幅值進行測試與統計；

5.得到電源噪聲頻譜，根據噪聲頻率分析噪聲來源。

#結語

R&S MXO5/MXO4系列示波器，配以專門的電源軌探頭RT-ZPR20/40，可以準確測量電源噪聲。優異的頻譜FFT分析能力還可以快速排查電源噪聲，保證產品的可靠性。

審核編輯：劉清