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11RT-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