電源噪聲測量的挑戰(zhàn)及解決之道

探頭的GND和信號(hào)的距離過大

在電源噪聲測試時(shí)，探頭的GND和信號(hào)兩個(gè)探測點(diǎn)的距離也非常重要，當(dāng)兩點(diǎn)相距較遠(yuǎn)時(shí)，待測試信號(hào)(即電源噪聲)的環(huán)路較大，由于探測點(diǎn)很靠近高速運(yùn)行的芯片，近場輻射較大，所以會(huì)有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號(hào)回路中(如圖4所示)，使得示波器測得的波形包括了其它信號(hào)分量，導(dǎo)致錯(cuò)誤的測試結(jié)果。所以要盡量減小探頭的信號(hào)與地的探測點(diǎn)間距，減小環(huán)路面積。

示波器通道的設(shè)置

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(gè)選項(xiàng)可選。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。

在芯片端的電源和地阻抗通常是毫歐級(jí)別的，高頻的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(shí)，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(shí)，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歐輸入阻抗時(shí)測試的電源噪聲高于50歐的。在下面的測試中驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。

我們使用了某1G帶寬的示波器測量某機(jī)頂盒內(nèi)某芯片的電源噪聲，示波器采樣率為2.5GS/s，時(shí)基為1ms/div，通道帶寬為1G，通過ERES函數(shù)限制帶寬為625MHz，探頭為1倍衰減的傳輸線探頭，示波器通道分別設(shè)為DC1M和DC50，記錄測試數(shù)據(jù)，圖5為DC50加上625M低通濾波器后的電源噪聲測試結(jié)果，其平均值為21.573mV。表2為改變通道阻抗和帶寬的4種組合下的電源噪聲以及電源電壓均值。

可以看到， 通道阻抗為1M歐、帶寬為625MHz時(shí)，電源噪聲為24.1mV;通道阻抗為50歐、帶寬為625MHz時(shí)，電源噪聲為21.573mV;可見，通道阻抗為1M歐時(shí)電源噪聲測量結(jié)果大于DC50的。 所以，測量電源噪聲是需要選擇DC50，測量電源的直流電壓要選更高阻抗的DC1M。

測試電源噪聲時(shí)，示波器的采樣率建議設(shè)置為2Gs/s以上以采集到高頻段的噪聲。時(shí)基設(shè)置為1ms/div以上以捕獲大于10ms的波形。如果捕獲的時(shí)間長度不夠，則會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果偏差較大。開關(guān)電源系統(tǒng)通常是AC-DC-DC的變換過程。AC源于電網(wǎng)電壓，是一種源效應(yīng)，經(jīng)過閉環(huán)控制后仍然很難消除。電網(wǎng)電壓的頻率是50Hz，整流之后是100HZ。電源紋波測量應(yīng)完整地包含100HZ的低頻周期。

電源噪聲測量的解決之道

考慮到以上幾種影響噪聲測量的因素，HDO4000示波器加上1：1無源傳輸線探頭，通道阻抗設(shè)為DC50是目前最好的測量電源噪聲方案。HDO4000為12比特分辨率的高清示波器，能提供更高的分辨率，更小的量化誤差，更靈活的偏置電壓設(shè)置、更低的底噪。

如下圖6為HDO4000示波器使用1：1無源探頭測量某機(jī)頂盒的電源噪聲測試結(jié)果，可以看到，電源電壓為1.27V，其電源噪聲峰峰值不超過18.22mV，統(tǒng)計(jì)后的平均值為16.2575mV。在圖5和表格2中，使用普通8位ADC示波器測量相同電源，得到的電源噪聲分別為21.573mV和22.371mV，很可能是由于后者的底噪較大引起的。

同時(shí)，使用了示波器獨(dú)特的頻譜分析軟件，在頻域中實(shí)時(shí)觀察電源噪聲的主要來源。從圖中左側(cè)的列表中可以看到，噪聲頻譜的第一個(gè)峰值頻點(diǎn)為332KHz，應(yīng)該是板上332KHz的開關(guān)電源引入的，該頻點(diǎn)的幅度比其他峰值頻點(diǎn)大20dB，說明它是噪聲的主要來源;另外，還可以看到200MHz的頻點(diǎn)，應(yīng)該是板上200MHz的時(shí)鐘引入的噪聲。

如果使用常規(guī)實(shí)時(shí)示波器測量電源噪聲，當(dāng)垂直刻度調(diào)到5mV/div時(shí)，偏置電壓可能在1V以內(nèi)，無法測量大于1V的電源，通常，在1：1的無源傳輸線探頭中串聯(lián)隔直電容，把待測試信號(hào)隔直后就可以測量了。這種測試方法的缺點(diǎn)為隔直電容會(huì)影響測試結(jié)果，選擇不同的電容可能有不同的測試結(jié)果，增加了測試的不確定性。

對于低電壓電源的噪聲測試，以下為各種測試方案，排前面的為優(yōu)選的測試方案。

1，低噪聲12位ADC示波器HDO4000 + 1倍衰減無源傳輸線探頭

2，常規(guī)8位ADC示波器 + 1倍衰減無源傳輸線探頭

3，常規(guī)8位ADC示波器 + 隔直電容 + 1倍衰減無源傳輸線探頭