胡为东系列文章之六--小电压电源噪声的测量

影响电源噪声测试结果的主要因素有：在电源噪声测试中，通常有如下几个问题导致测量不准确：
l         是否需要增加20MHZ的滤波
l         示波器的量化误差
l         使用衰减因子大的探头测量小电压
l         探头的GND和信号两个探测点的距离过大
 
1、是否需要增加20MHZ的滤波
过去我们在进行电源纹波测试过程中，由于电源导致的噪声频率通常比较低，因此通常默认需要加20MHZ的滤波，目的是滤除高于20MHZ以上的噪声，来验证主要由于电源因素引起的噪声大小。但是在实际情况下，往往还需要验证在所有频段上电源上的噪声情况如何，因此我们需要提前弄清楚是否需要增加20MHZ的滤波。如下图所示为某DDR2/DDR3对电源纹波的要求：

图1 某DDR2的手册对电源噪声的要求  
 

图2 某DDR3的手册对电源噪声的要求

2、量化误差
示波器存在量化误差，通常实时示波器的ADC为8位，把模拟信号转化为2的8次方（即256个）量化的级别，当显示的波形只占屏幕很小一部分时，则增大了量化的间隔，减小了精度，准确的测量需要调节示波器的垂直刻度（必要时使用可变增益），尽量让波形占满屏幕，充分利用ADC的垂直动态范围。在图3中蓝色波形信号（C3）的垂直刻度是红色波形（C2）四分之一，对两个波形的上升沿进行放大（F1=ZOOM(C2), F2=ZOOM(C3)），然后对放大的波形作长余辉显示，可以看到，右上部分的波形F1有较多的阶梯（即量化级别），而右下部分波形F2的阶梯较少（即量化级别更少）。如果对C2和C3两个波形测量一些垂直或水平参数，可以发现占满屏幕的信号C2的测量参数统计值的标准偏差小于后者的。说明了前者测量结果的一致性和准确性。
另外为了更加精确的测量小电压的电源噪声，可以选择使用具有更高ADC位数的示波器，如力科新推出的12位HRO系列的示波器。
 



3、避免使用衰减因子大的探头测量小电压
通常测量电源噪声，使用有源或者无源探头，探测某芯片的电源引脚和地引脚，然后示波器设置为长余辉模式，最后用两个水平游标来测量电源噪声的峰峰值。这种方法有一个问题是，常规的无源探头或有源探头，其衰减因子为10，和示波器连接后，垂直刻度的最小档位为20mV，在不使用DSP滤波算法时，探头的本底噪声峰峰值约为30mV。以DDR2的1.8V供电电压为例，如果按5％来算，其允许的电源噪声为90mV，探头的噪声已经接近待测试信号的1/3，所以，用10倍衰减的探头是无法准确测试1.8V/1.5V等小电压。在实际测试1.8V噪声时，垂直刻度通常为5-10mV/div之间。
 
对于小电源的电压测试，我们推荐衰减因子为1的无源传输线探头。使用这类探头时，示波器的最小刻度可达2mV/div，不过其动态范围有限，偏移的可调范围限制在+/-750mV之间，所以，在测量常见的1.5V、1.8V电源时，需要隔直电路（DC-Block）后再输入到示波器。
 
如图4为力科的PP066传输线探头，该探头的地与信号的间距可调节，探头的地针可弹性收缩，操作起来非常方便。通过同轴电缆加隔直模块后连接到示波器通道上。
在电源噪声测试中，还存在示波器通道输入阻抗选择的争议。示波器的通道有DC50/DC1M/AC1M三个选项可选（对于高端示波器，可能只有DC50一个选项）。一些工程师认为应该使用1M欧的输入阻抗，另一些认为50欧的输入阻抗更合适。

 
在测试中我们发现：如果使用1倍衰减的探头测试，当示波器通道输入为1M欧时，通常其测量出的电源噪声大于50欧输入阻抗的。原因是：高频电源噪声从同轴电缆传输到示波器通道后，当示波器输入阻抗是50欧时，同轴电缆的特性阻抗50欧与通道的完全匹配，没有反射；而通道输入阻抗为1M欧时，相当于是高阻，根据传输线理论，电源噪声发生反射，这样，导致1M欧输入阻抗是测试的电源噪声高于50欧的。所以，测量小电源噪声推荐使用50欧的输入阻抗。
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二、电源噪声的频谱成分分析
 
在准确测量到电源噪声的波形后，可以计算出噪声的峰峰值，如果电源噪声过大，则需要分析噪声来自哪些频率，这时，需要对电源噪声的波形进行FFT，转化为频谱进行分析。FFT中信号时间的长度决定了FFT后的频谱分辨率，在力科示波器中，支持业界最大的128M个点的FFT，能准确定位电源噪声来自于哪些频率（其频谱分辨率是同类仪器的40倍以上）。


图6 测量某3.3V的电源噪声


 



图7 某1.25Gbps信号的抖动和眼图测试结果
 

如图6所示为某光模块的3.3V电源的噪声。其噪声的频谱最高点的频率为311.6KHz。这个光模块输出的1.25Gbps光信号的抖动测试中发现了同样的312KHz的周期性抖动。在图7中可以看到，把1.25G串行信号的周期性抖动分解后(Pj breakdown菜单)，发现312KHz的周期性抖动为63.7皮秒，在眼图中也明显可以观察到抖动。通过这个案例说明，电源噪声很可能导致一些高速信号的眼图和抖动变差。对电源噪声进行频谱分析，能有效定位噪声的来源，指引调试的方向。
在使用示波器测量电源噪声时，为了保证测量精度，需要选择足够的采样率和采集时间。推荐采样率在500MSa/s以上，这样奈科斯特频率为250M，可以测量到250MHz以下的电源噪声，对于目前最普及的板级电源完整性分析，250M的带宽已足够。低于这个频率的噪声可以使用陶瓷电容、PCB上紧耦合的电源和地平面来滤波。而高于这个频率的只能在封装和芯片级的去耦措施来完成了。
       波形的采集时间越长，则转化为频谱后的频谱分辨率（即delta f）越小。通常我们的开关电源工作在10KHz以上，如果频谱分辨率要达到100Hz的话，至少需要采集10ms长的波形，在500MSa/s采样率时，示波器需要500MSa/s * 10 ms = 5M pts的存储深度。  

三、 12位ADC示波器对电源噪声测量的应用价值
力科在推出其新款高带宽示波器（45GHZ的带宽、120GS/S的采样率、768MS的存储深度）的同时，也在提升其低中端示波器的性能。不仅对老款型号的WaveSurfer Xs系列、WaveRunner Xi系列示波器进行了更新（WaveSurfer Xs-B，WaveRunner 6Zi），新款产品不仅指标有了进一步的提升，而且速度性能、分析能力、触发方法都有了相当程度的提升。除此以外，为了应付电子行业越来越多的小信号的测量，力科还划时代的推出了其12为ADC的实时数字示波器WaveRunner HRO 6Zi。具体型号和指标如下：
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             有400MHZ带宽和600MHZ带宽两种型号
l         每个通道2GS/S的采样率
l         最大存储深度256MS
l         12位ADC位数（ERES软件增强为15位）
l         具有和高端示波器相当的速度性能、函数测量及分析功能、高级FFT运算功能、高级触发功能等
 
使用12位示波器测量电源噪声等小幅度信号时可得到更好的量化误差，信噪比更好，能够更好的分辨出电源噪声。如下图9所示为8位的示波器和12位的示波器对噪声测试结果的的对比。  
  
      图8  Lecroy WaveRunner HRO 6Zi


                       图9 8位示波器和12位示波器对噪声测试的对比

五、小结
    本文简要介绍了电源噪声测试中的注意事项和分析方法以及力科示波器最新推出的12位ADC示波器WaveRunner HRO 6Zi。使用更高位数的数字示波器，将减小主要影响电源噪声测试精度的量化误差，再注意选择合适的探头衰减倍数、以及地环路等因素，将有利于更加准确的测量小电压的电源噪声。