利用示波器進(jìn)行電源噪聲測試

    當(dāng)今的電子產(chǎn)品，信號速度越來越快，集成電路芯片的供電電壓也越來越小，90年代芯片的供電通常是5V和3.3V，而現(xiàn)在，高速IC的供電通常為2.5V,1.8V或1.5V等等。對于這類電壓較低直流電源的電壓測試(簡稱電源噪聲測試)，本文將簡要討論和分析。
　　在電源噪聲測試中，通常有三個問題導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確
　　1、示波器的量化誤差
　　2、使用衰減因子大的探頭測量小電壓
　　3、探頭的GND和信號兩個探測點的距離過大
　　示波器存在量化誤差，實時示波器的ADC為8位，把模擬信號轉(zhuǎn)化為2的8次方(即256個)量化的級別，當(dāng)顯示的波形只占屏幕很小一部分時，則增大了量化的間隔，減小了精度，準(zhǔn)確的測量需要調(diào)節(jié)示波器的垂直刻度(必要時使用可變增益)，盡量讓波形占滿屏幕，充分利用ADC的垂直動態(tài)范圍。在圖一中藍(lán)色波形信號(C3)的垂直刻度是紅色波形(C2)四分之一，對兩個波形的上升沿進(jìn)行放大(F1=ZOOM(C2),F2=ZOOM(C3))，然后對放大的波形作長余輝顯示，可以看到，右上部分的波形F1有較多的階梯(即量化級別)，而右下部分波形F2的階梯較少(即量化級別更少)。如果對C2和C3兩個波形測量一些垂直或水平參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)占滿屏幕的信號C2的測量參數(shù)統(tǒng)計值的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于后者的。說明了前者測量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。
　　通常測量電源噪聲，使用有源或者無源探頭，探測某芯片的電源引腳和地引腳，然后示波器設(shè)置為長余輝模式，最后用兩個水平游標(biāo)來測量電源噪聲的峰峰值。這種方法有一個問題是，常規(guī)的無源探頭或有源探頭，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，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％來算，其允許的電源噪聲為90mV，探頭的噪聲已經(jīng)接近待測試信號的1/3，所以，用10倍衰減的探頭是無法準(zhǔn)確測試1.8V/1.5V等小電壓。在實際測試1.8V噪聲時，垂直刻度通常為5-10mV/div之間。
　　另外，探頭的GND和信號兩個探測點的距離也非常重要，當(dāng)兩點相距較遠(yuǎn)，會有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號回路中(如圖二所示)，示波器觀察的波形包括了其他信號分量，導(dǎo)致錯誤的測試結(jié)果。所以要盡量減小探頭的信號與地的探測點間距，減小環(huán)路面積。
　　對于小電源的電壓測試，我們推薦衰減因子為1的無源傳輸線探頭。使用這類探頭時，示波器的最小刻度可達(dá)2mV/div，不過其動態(tài)范圍有限，偏移的可調(diào)范圍限制在+/-750mV之間，所以，在測量常見的1.5V、1.8V電源時，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，該探頭的地與信號的間距可調(diào)節(jié)，探頭的地針可彈性收縮，操作起來非常方便。通過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，直接把電纜的信號和地焊接到待測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，測量其電源噪聲。
　　在電源噪聲測試中，還存在示波器通道輸入阻抗選擇的爭議。示波器的通道有DC50/DC1M/AC1M三個選項可選(對于高端示波器，可能只有DC50一個選項)。一些工程師認(rèn)為應(yīng)該使用1M歐的輸入阻抗，另一些認(rèn)為50歐的輸入阻抗更合適。
　　在測試中我們發(fā)現(xiàn)：如果使用1倍衰減的探頭測試，當(dāng)示波器通道輸入為1M歐時，通常其測量出的電源噪聲大于50歐輸入阻抗的。原因是：高頻電源噪聲從同軸電纜傳輸?shù)绞静ㄆ魍ǖ篮�，�?dāng)示波器輸入阻抗是50歐時，同軸電纜的特性阻抗50歐與通道的完全匹配，沒有反射；而通道輸入阻抗為1M歐時，相當(dāng)于是高阻，根據(jù)傳輸線理論，電源噪聲發(fā)生反射，這樣，導(dǎo)致1M歐輸入阻抗是測試的電源噪聲高于50歐的。所以，測量小電源噪聲推薦使用50歐的輸入阻抗。
　　在準(zhǔn)確測量到電源噪聲的波形后，可以計算出噪聲的峰峰值，如果電源噪聲過大，則需要分析噪聲來自哪些頻率，這時，需要對電源噪聲的波形進(jìn)行FFT，轉(zhuǎn)化為頻譜進(jìn)行分析。FFT中信號時間的長度決定了FFT后的頻譜分辨率，在力科示波器中，支持業(yè)界最大的128M個點的FFT，能準(zhǔn)確定位電源噪聲來自于哪些頻率(其頻譜分辨率是同類儀器的40倍以上)。
　　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的頻率為311.6KHz。這個光模塊輸出的1.25Gbps光信號的抖動測試中發(fā)現(xiàn)了同樣的312KHz的周期性抖動。在圖六中可以看到，把1.25G串行信號的周期性抖動分解后(Pjbreakdown菜單)，發(fā)現(xiàn)312KHz的周期性抖動為63.7皮秒，在眼圖中也明顯可以觀察到抖動。通過這個案例說明，電源噪聲很可能導(dǎo)致一些高速信號的眼圖和抖動變差。對電源噪聲進(jìn)行頻譜分析，能有效定位噪聲的來源，指引調(diào)試的方向。
　　圖六：某1.25Gbps信號的抖動和眼圖測試結(jié)果
　　在使用示波器測量電源噪聲時，為了保證測量精度，需要選擇足夠的采樣率和采集時間。
　　推薦采樣率在500MSa/s以上，這樣奈科斯特頻率為250M，可以測量到250MHz以下的電源噪聲，對于目前最普及的板級電源完整性分析，250M的帶寬已足夠。低于這個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濾波。而高于這個頻率的只能在封裝和芯片級的去耦措施來完成了。
　　波形的采集時間越長，則轉(zhuǎn)化為頻譜后的頻譜分辨率(即deltaf)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長的波形，在500MSa/s采樣率時，示波器需要500MSa/s*10ms=5Mpts的存儲深度。
　　總結(jié)：本文簡要介紹了電源噪聲測試中的注意事項和分析方法。歡迎讀者與筆者聯(lián)系，交流電源噪聲測試的技術(shù)。

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