PicoScope示波器在电源轨噪声测试中的应用

1 关于电源轨噪声

电源纹波是电子工程师尤其是电源工程师非常熟悉的一个术语，它通常被用来评估电源供给的输出稳定性。因为其频率成分集中在低频部分，所以测试电源纹波时通常会选择靠近电源供给位置的测试点（如下图 1 中 VRM 的VCC 和 GND），并在示波器中设置20MHz 带宽限制来滤除来自系统其它部分的高频噪声。然而在实际电路中，电源供给端到被供电芯片管脚处的传输路径会有一段较长的距离，长距离传输过程中的损耗、干扰等会导致芯片供给电压的进一步波动，而这样的波动可能会对芯片运行的稳定性带来影响。下图 1 所示为一个简化的四层 PCB 电路图，顶层和底层是信号层，中间两层分别是电源层和地层。电压调节模块 (VRM) 用于为芯片供电，它在其VCC 管脚和 GND 管脚之间输出一个电压V1，通过电源层和地层传输到芯片的 VCC管脚和GND管脚之间，此处的电压假设为V2。理论上，V2应该等于 V1。但是由于VRM 和芯片之间存在一条由电源平面和地平面构成的低阻抗路径，如图 1 中的虚线所示，该路径会受到电路中的 I/O 开关切换噪声、串扰等的影响而导致流经的电流产生波动，从而导致 V2 出现波动，我们将这种电压波动称为电源轨噪声。电源轨噪声的频率成分可高达数百MHz甚至几GHz。测试电源轨噪声时，测试点应该选择在靠近芯片端的位置，且应使用足够带宽的示波器进行测试。

图 1 关于电源轨噪声

通过分析电源轨噪声波形，可以定位干扰源。如下图2所示，左侧的噪声主要是随机性的，干扰源主要为系统热噪声、串扰等；右侧的噪声是周期性的，根据噪声频率可定位干扰源来自于电路中的哪一个部分。

图 2 随机性电源轨噪声和周期性电源轨噪声

2 电源轨噪声测试挑战及测试设备选择

当今的智能消费电子产品（如手机、人工智能产品、电子游戏机等）功能日益增强、电子元器件密度不断提高、功耗要求也越来越严格。电子产品中高性能处理器的内核通常采用低至 1.0 伏的电源供给。图 3 所示为某高性能处理器的电源电压供给规格，其内核电压规格为 1.00V±2%，允许的电压波动范围为 -20mV 至20mV。低电压以及电路中复杂的干扰源如高频时钟、快速切换开关、高速信号的串扰等为电源轨噪声的测试带来了挑战，包括如何精确的测量mV级别的小信号以及如何精确的测量叠加在直流电压上的小信号。选择一款合适的示波器并基于正确的测试方法对精确的测试电源轨噪声至关重要。

图3 某高性能处理器的电源规格

首先，应该选择合适带宽的示波器。一般来说，大多数高性能高速处理器本身具有高频滤波功能，其可以将处理器噪声的频率限制在几百MHz以内，因此带宽不低于1GHz的示波器可以满足大多数情况下对电源轨噪声的测试需求。但我们仍旧应该评估整个系统以确认是否存在其它更高频率的干扰源，确保所选择的示波器带宽能够覆盖到噪声的最高频率成分，而且尽可能选择和噪声最高频率相匹配的示波器，因为仪器的本底噪声会随着带宽的增加而增大，更高的带宽会引入更大的噪声。示波器软件中的频谱分析功能可用于观测电源轨噪声中的频率分量。下图4所示为PicoScope 7软件中的频谱分析功能。

 图4 PicoScope 7软件中内置的频谱分析仪功能

其次，应该选择分辨率更高、直流偏置范围更大的示波器。

更高的ADC分辨率可降低量化误差，从而可更清晰地区分叠加在直流电压上的噪声并对其进行精确地测量。下图5所示为使用可调分辨率（FlexRes）PicoScope示波器在8位模式下采集的数据和12位模式下采集的数据对比。12位模式下的波形比8位模式下的波形更清晰，噪声更小。

图5 使用可调分辨率（FlexRes）PicoScope在8位和12位模式下捕获的数据对比

更大的直流偏置范围使得用户能够在输入信号上添加一个合适的电压，以抵消被测信号上的直流成分，仅在示波器上显示被测噪声信号，然后即可为噪声信号选择一个更匹配的量程范围，从而能够充分利用示波器ADC的分辨率和精度来对噪声信号进行精确的测试。图6（左）所示为在±20V量程下捕获的1V峰峰值的正弦波波形，放大后波形可见明显台阶，台阶高度接近180mV，这是ADC的量化步进，也即量化误差。图6（右）所示为使用了直流偏置对波形进行了隔直处理，在示波器上添加了-10V的偏置，并能够在±5V量程下对波形进行采集和测量，从放大后的波形可见量化误差有了显著的减小。

图6 ±20 V 量程下采集1 V(p-p)信号以及±5 V量程下(-10V偏置)采集1 V(p-p)信号

另外，还需要选择一个合适的探头。为了减少对电路的影响，探头的输入阻抗应远高于电源轨的输出阻抗。小电压电源的电源轨通常是由一对相邻且紧密耦合的平面组成，其间并联有多个电容器，以提供低于几十毫欧的极低阻抗。在这种情况下，可以使用输入阻抗为 50 欧姆的同轴电缆探头进行测试。探头的低增益有利于降低测试系统的噪声，使用50 Ω的同轴电缆探头配合示波器的DC50 Ω耦合可以实现1:1 的增益。因此，对于幅度较低（例如 1.0V 左右）且输出阻抗较低（例如毫欧级）的电源轨噪声测量，使用同轴探头测试电源轨噪声是一种性价比高的选择。如果示波器具有足够的直流偏置范围，则图 8 (A) 所示的连接方式是一个更好的选择。也可以使用带有适当电容组合的外部隔直适配器，在直流电源信号进入示波器之前消除直流偏置后再进行测试，如图 8 (C) 所示；在示波器中使用 DC1M 耦合可以避免直流电源信号的大电压或电流对示波器造成的潜在损坏，但此时需要一个源端终端匹配来消除由于同轴电缆阻抗与示波器输入阻抗不匹配引起的反射，如图 8 (B) 和 (D) 所示。

图8 采用同轴电缆探头测试电源轨噪声连接示意图

3 使用PicoScope测试电源轨噪声

下图 9 所示为使用 PicoScope 6424E 示波器和 PicoScope 7 软件测试得到的某GPU电源轨噪声波形。PicoScope 6424E 示波器带宽为 500MHz，分辨率可在8~12 位之间灵活调节，采样率为 5GS/s，存储深度为4GS，直流偏置范围为±1.25V（±10mV 至±1V 垂直量程范围）和±20V（±2V和±5V垂直量程范围），输入耦合为 50Ω或者1MΩ可选。测量图示噪声时，使用了专门设计的测试夹具和同轴电缆，PicoScope 6424E 的设置为：硬件分辨率12 位，测量量程范围+/-20mV，DC 50Ω耦合，偏置范围 -210mV。

图9 使用 PicoScope 7 和 PicoScope 6424E 采集的电源轨噪声

下图 10 所示为使用 PicoScope 6424E 和有源差分探头 AD 2801 测试的另一个电源轨噪声波形。AD 2801 是一款带宽为 800MHz、测试范围为 +/- 15V 的有源差分探头。被测电源信号的幅度约为 3.3V，因此设置了 -3.1V 的直流偏置，示波器的垂直量程范围设置为+/-500mV。图 10 （左）是在PicoScope 7中测得的波形，图 10 （右）是在 Python 中采集的波形。

图10 基于PicoScope 6424E 分别在 PicoScope 7 和 SDK下采集到的电源轨噪声波形

4 为什么选择PicoScopes?

图11 PicoScope 6424E

因PicoScope 6424E具有一些列优秀指标和独特优势，如灵活/高 ADC 分辨率（8位~12 位硬件可调）、超深存储深度（高达 4GS）、快速数据传输速率（高达 312MS/s）以及易于集成的特性（紧凑的尺寸、简单的连接、全面的 SDK），而被广泛用于自动化测试系统和研发过程中的电源轨噪声测量。                           

下面列出的一些是用户喜欢在系统集成项目和OEM应用中使用 PicoScope示波器的一些原因：

1）高可靠性

Pico Technology 成立于 1991 年，专注于基于 PC 的测试仪器和数据采集设备的研发和制造。数十年的产品迭代和严格的质量控制，使得PicoScope 示波器拥有高可靠性。

2）高性价比

与传统台式仪器不同，PicoScope 示波器没有内置 PC，故结构简单，从而可拥有更多独特的硬件优势，包括高带宽、高采样率、深存储、高ADC分辨率、灵活可调 ADC 分辨率、多个模拟和数字输入通道、高速数据传输等。基于外部 PC 的强大性能，PicoScope 示波器可拥有更丰富的软件功能和更强大的数据分析处理能力，如可提供 40 多个串行解码器、高级数学函数（FFT、滤波函数、测量参数追踪图等）。此外，PicoScope 示波器拥有数十种型号，用户更容易选择到一款经济实惠且与其应用相匹配的产品。

3）高ADC 分辨率和灵活可调ADC 分辨率

PicoScope 示波器提供从 8 位到 16 位的各种垂直分辨率选项。分辨率越高，垂直精度和动态范围就越大，波形显示就越清晰，测量结果会更精确。PicoScope 示波器的 ADC 分辨率灵活可调，这个独特特点得益于 Pico 突破性的 ADC 管理技术，该技术允许用户在一个设备中通过协调多个 ADC 的工作从而实现从 8 位到 16 位的灵活切换。

4）强大的软件开发包PicoSDK

PicoScope 示波器提供了很多传统台式示波器通常不具备的互联和定制功能。SDK（软件开发工具包）允许用户为特定项目创建自定义应用程序。这使得 PicoScope 示波器不仅仅是一台通用的示波器。在 SDK 下运行的 PicoScope 示波器拥有更加出色的性能，比如它可以以高达 312 MS/s 的速度连续采集数据并将其传输到 PC，可实现最高200 万段的分段存储，可以设置高级触发功能，可以编程控制示波器内置的任意波形发生器或函数发生器输出波形等。基于SDK 编程控制PicoScope 示波器简单容易，您可以在github.com/picotech 上找到大量的基于各种编程语言的示例代码，而且我们也有专门的支持团队为用户自定义开发提供技术支持。

所有 Pico 产品（包括 PicoScope 示波器）均附带免费的 SDK。SDK 包含适用于 Windows、macOS、Linux 和 Raspberry Pi (ARM7) 的驱动程序。它允许用户使用诸如 C、C#、C++、Python、MATLAB、LabVIEW 和 Microsoft Excel 等通用的编程语言编写自己的应用程序来控制仪器。

5）紧凑轻便

与往往比较笨重的传统台式示波器不同，PicoScope 示波器紧凑、轻便且便于携带。与笔记本电脑配合使用时，PicoScope 示波器可让您将整套电子工具与电脑一起装入一个包中。小巧的尺寸也使 PicoScope 示波器更易于集成到系统中，而几乎不会增加重量或体积。