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嘉峪檢測網 2024-04-23 08:41
1、科技的發展對電源的要求越來越高
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
2、電源噪聲的特點
1、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。
2、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
3、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。
1、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
2、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
3、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
4、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。
▲圖8 探頭貼近芯片管腳，使用短地線
5、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
4、羅德與施瓦茨(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。
1、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。
▲圖10 MXO5示波器（上）和MXO4示波器（下）
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。
▲圖11 RT-ZPR系列探頭性能指標及各種連接方式
2、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。
來源：Internet
