- 用示波器進(jìn)行電源噪聲測(cè)試
- 測(cè)量時(shí)讓波形占滿屏幕可有效減少量化誤差
- 需要選擇合適的探頭
- 測(cè)量小電源噪聲推薦使用50歐的輸入阻抗
在電源噪聲測(cè)試中，通常有三個(gè)問題導(dǎo)致測(cè)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(cè)量小電壓；
3.探頭的GND和信號(hào)兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)的距離過大；
示波器存在量化誤差。實(shí)時(shí)示波器的ADC為8位，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為2的8次方（即256個(gè)）量化的級(jí)別，如果顯示的波形只占屏幕很小一部分，則增大了量化的間隔，減小了精度。準(zhǔn)確的測(cè)量需要調(diào)節(jié)示波器的垂直刻度（必要時(shí)使用可變?cè)鲆妫M量讓波形占滿屏幕，充分利用ADC的垂直動(dòng)態(tài)范圍。圖一中藍(lán)色波形信號(hào)（C3）的垂直刻度是紅色波形（C2）四分之一，對(duì)兩個(gè)波形的上升沿進(jìn)行放大（F1=ZOOM(C2), F2=ZOOM(C3)），然后對(duì)放大的波形作長(zhǎng)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(jí)別），而右下部分波形F2的階梯較少（即量化級(jí)別更少）。如果對(duì)C2和C3兩個(gè)波形測(cè)量一些垂直或水平參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)占滿屏幕的信號(hào)C2的測(cè)量參數(shù)統(tǒng)計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于后者的。說明了前者測(cè)量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。
圖一 示波器ADC的量化誤差
通常測(cè)量電源噪聲，使用有源或者無(wú)源探頭，探測(cè)某芯片的電源引腳和地引腳，然后示波器設(shè)置為長(zhǎng)余輝模式，最后用兩個(gè)水平游標(biāo)來測(cè)量電源噪聲的峰峰值。這種方法有一個(gè)問題是，常規(guī)的無(wú)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(shí)，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(cè)試信號(hào)的1/3，所以，用10倍衰減的探頭是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)試1.8V/1.5V等小電壓。在實(shí)際測(cè)試1.8V噪聲時(shí)，垂直刻度通常為5-10mV/div之間。
另外，探頭的GND和信號(hào)兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)的距離也非常重要，當(dāng)兩點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，會(huì)有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號(hào)回路中（如圖二所示），示波器觀察的波形包括了其他信號(hào)分量，導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。所以要盡量減小探頭的信號(hào)與地的探測(cè)點(diǎn)間距，減小環(huán)路面積。
圖四 測(cè)量某電腦主板DDR2的1.8V的電源噪聲
[page]在電源噪聲測(cè)試中，還存在示波器通道輸入阻抗選擇的爭(zhēng)議。示波器的通道有DC50/DC1M/AC1M三個(gè)選項(xiàng)可選（對(duì)于高端示波器，可能只有DC50一個(gè)選項(xiàng)）。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(cè)試中我們發(fā)現(xiàn)：如果使用1倍衰減的探頭測(cè)試，當(dāng)示波器通道輸入為1M歐時(shí)，通常其測(cè)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篮螅?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歐輸入阻抗是測(cè)試的電源噪聲高于50歐的。所以，測(cè)量小電源噪聲推薦使用50歐的輸入阻抗。
在準(zhǔn)確測(cè)量到電源噪聲的波形后，可以計(jì)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(shí)，需要對(duì)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(hào)時(shí)間的長(zhǎng)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(gè)點(diǎn)的FFT，能準(zhǔn)確定位電源噪聲來自于哪些頻率。
圖五 測(cè)量某3.3V的電源噪聲
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(diǎn)的頻率為311.6KHz。這個(gè)光模塊輸出的1.25Gbps光信號(hào)的抖動(dòng)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)了同樣的312KHz的周期性抖動(dòng)。在圖六中可以看到，把1.25G串行信號(hào)的周期性抖動(dòng)分解后(Pj breakdown菜單)，發(fā)現(xiàn)312KHz的周期性抖動(dòng)為63.7皮秒，在眼圖中也明顯可以觀察到抖動(dòng)。通過這個(gè)案例說明，電源噪聲很可能導(dǎo)致一些高速信號(hào)的眼圖和抖動(dòng)變差。對(duì)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(hào)的抖動(dòng)和眼圖測(cè)試結(jié)果
在使用示波器測(cè)量電源噪聲時(shí)，為了保證測(cè)量精度，需要選擇足夠的采樣率和采集時(shí)間。
推薦采樣率在500MSa/s以上，這樣奈科斯特頻率為250M，可以測(cè)量到250MHz以下的電源噪聲。對(duì)于目前最普及的板級(jí)電源完整性分析，250M的帶寬已足夠。低于這個(gè)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(gè)頻率的只能在封裝和芯片級(jí)的去耦措施來完成了。
波形的采集時(shí)間越長(zhǎng)，則轉(zhuǎn)化為頻譜后的頻譜分辨率（即delta f）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(zhǎng)的波形，在500MSa/s采樣率時(shí)，示波器需要500MSa/s * 10 ms = 5M pts的存儲(chǔ)深度。
