影响电源噪声测试准确性的因素？如何准确测量电源噪声？

随着科技的日益发展，电子产品上所用芯片的电源电压也越来越小，从早期的5V逐步降低到了1.2V，某些芯片的核电压甚至到了1V或更低。电压越小，芯片对电压波动也变得越敏感。

通常用电源噪声来表征电源电压的波动，其要求通常是电源电压的±5%到±1.5%，有的芯片要求甚至更低。如果芯片的电源噪声没有达到规范要求，轻则影响产品的性能，重则影响整机的可靠性。因此工程师需要准确地测量电源噪声。

▲图1 日益发展的技术对电源要求越来越高

电源噪声的特点

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更小幅度，更高频率

以往电源噪声的幅度规范一般在几十mV，但是随着芯片电源电压的降低，很多芯片的电源噪声的规范已经低至mV的量级，某些对电源噪声敏感的芯片要求甚至到了百uV的量级。

电源上的噪声是数字系统中时钟和数据抖动的主要来源。处理器、内存、模数转换和 射频等等芯片对直流电源的动态负载随着各自时钟频率而发生，还有可能在直流电源上耦合高速瞬态变化和噪声，它们通常包含了GHz以上的频率成分。

▲图2 传统电源和芯片电源对频率范围和噪声幅度要求不同

因此与传统的SMPS电源相比，芯片电源的噪声具有频率高/幅度小等特点，这就使得工程师的测试工作充满了挑战---即如何准确地测试分布在GHz带宽内mV级别的电源噪声。

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电源分布网络（PDN）引入的噪声干扰

为了保证电路上各个芯片的供电，电源分布网络（PDN）遍布整个PCB。如果电源分布网络靠近时钟或者数据的PCB走线，那么时钟/数据的变化会耦合到电源分布网络上，也会成为电源噪声的来源。   

在这种情况下，工程师还需要定位电源噪声的来源，以便后续调整电子产品的PCB布局和布线，减少PDN网络受到的干扰。

▲图3 时钟/数据传输线耦合到电源分布网络的干扰

影响电源噪声测试准确性的因素

示波器是电源噪声测试的重要仪器。为了能够准确地测量GHz带宽内mV级别的电源噪声，并定位干扰电源分布网络的噪声来源，需要考虑如下因素：示波器的底噪，探头的衰减比，测试系统的偏置补偿能力，探头的探接方式，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。当示波器测试电源噪声时，其自身的底噪会叠加在被测的电源噪声上。如果示波器本身的底噪很大，那么会严重影响电源噪声的测试准确度。

▲图4 示波器底噪对电源噪声测试结果的影响

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探头的衰减比

业界最常用的500MHz带宽的无源探头的衰减比为10:1，其会将示波器的底噪放大十倍，导致电源噪声测试的不确定性。   

如果采用传统的衰减比为1:1的无源探头，可以避免放大示波器的底噪。但是这种探头的带宽通常只有38MHz，无法测到更高频率的电源噪声。同样会导致电源噪声测试的不确定性。   

如左下图，10：1的无源探头测试电源噪声明显偏大；右下图的1：1无源探头测得电源噪声正常，但是高频的毛刺无法显示。

▲图5 探头的衰减比对电源噪声测试的影响

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示波器的偏置补偿能力

电源噪声是叠加在电源电压上的，为此测试时需要将示波器的偏置电压设到与直流电压相等的水平，再测量电源的噪声。例如某芯片的供电电压是3.3V，首先将示波器的偏置电压调到3.3V，然后再测试3.3V直流电源上的mV级别的噪声波动。   

但是示波器的垂直刻度的挡位受限于偏置电压，在该偏置电压下垂直刻度只能到20mV/div。用20mV/div的垂直刻度测试mV级别的电源噪声，显然会带来很大的误差。  

为了解决类似问题，通常会使用隔直电容（或DC-Block）去除电源的直流电压，但如此操作会导致直流电源压缩和丢失电源的低频特征。此外如果电容的容值选取不当，还会影响高频噪声的测量准确性。

▲图6 示波器的偏置补偿能力受限

▲图7 隔直电容影响低频特征

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探头的探接方式

电路形态各异，需要有更灵活的方法来进行信号的探接。探接的稳定性和寄生参数对被测电源电路的影响不可忽视，所以需要尽量贴近芯片的管脚，并使用短地线。     

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示波器的FFT能力

由于电源分布网络PDN会受到干扰噪声的来源，因此需要示波器具有强大的FFT分析能力，以便分析的干扰噪声的频率，进而排查噪声的源头。

▲图9 FFT分析电源噪声的频谱

 罗德与施瓦茨中（R&S）电源噪声测试方案

为了准确地测量电源噪声，R&S提供了示波器主机和专门的Power Rail电源轨探头。

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测试仪器

R&S推出的MXO5和MXO4系列示波器，带宽最大2GHz，采用了12bit位数的ADC（HD模式下，分辨最低可达18bit），使得示波器的底噪在百uV级别，垂直刻度挡位最小可达0.5mV/div（硬件实现，非放大），使得准确测量GHz带宽内mV级别的电源噪声成为可能。该系列示波器还具有强大的频谱分析功能，帮助工程师快速排查干扰噪声的来源。

Power Rail电源轨探头RT-ZPR20（2GHz） / RT-ZPR40（4GHz）具有优异的性能，专门为电源测试量身打造。

其主要特性有：

1、在2GHz/4GHz带宽内具备1：1的衰减比，保证能够测试到GHz带宽mV级别的电源噪声；

2、探头具有50Kohm的高直流输入阻抗，相对毫ohm级别阻抗的电源平面，可以最大程度地降低对待测电源的影响；

3、探头内置±60V的偏置能力，提升测试系统的偏置补偿能力。测试电源噪声时，使用探头内部的偏置与待测电源保持一致，示波器的垂直刻度的挡位可以调至最小的0.5mV/div;

4、探头内部集成了16位数字电压计，实现同步读取被测电源的直流电压数值，并且可以一键精准设置测试系统的偏置电压；

5、专用的同轴探测线缆可焊接到电源滤波电容的两端，点测附件则便于PCB上不同位置的轻松探测。

 

▲图11  RT-ZPR系列探头性能指标及各种连接方式

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测试实例

下面介绍利用MXO5示波器和Power Rail电源轨探头RT-ZPR20测试电源噪声，并排查噪声来源的实例。

▲图12 一次探接即可获得电源噪声以及干扰源

将RT-ZPR20探头连接到测试点后，按照如下操作进行测试：

1.RT-ZPR20内置电压计实现高精度DC电压测试，测得电源电压为1.82V；

2.RT-ZPR20的偏置电压设到1.82V附近，并将示波器垂直刻度设到10mV/div；

3.示波器测得电源噪声波形，从时域波形上发现有明显的干扰噪声；

4.对电源噪声幅值进行测试与统计；

5.得到电源噪声频谱，根据噪声频率分析噪声来源。

#结语

R&S MXO5/MXO4系列示波器，配以专门的电源轨探头RT-ZPR20/40，可以准确测量电源噪声。优异的频谱FFT分析能力还可以快速排查电源噪声，保证产品的可靠性。     


 

审核编辑：刘清