當(dāng)今的電子產(chǎn)品，信號(hào)速度越來(lái)越快，集成電路芯片的供電電壓也越來(lái)越小，90年代芯片的供電通常是5V和3.3V，而現(xiàn)在，高速I(mǎi)C的供電通常為2.5V,1.8V或1.5V等等。對(duì)于這類(lèi)電壓較低直流電源的電壓測(cè)試(簡(jiǎn)稱(chēng)電源噪聲測(cè)試)，本文將簡(jiǎn)要討論和分析。
在電源噪聲測(cè)試中，通常有三個(gè)問(wèn)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(guò)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，當(dāng)顯示的波形只占屏幕很小一部分時(shí)，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?，盡量讓波形占滿(mǎn)屏幕，充分利用ADC的垂直動(dòng)態(tài)范圍。在圖一中藍(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(mǎn)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(shuō)明了前者測(cè)量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。
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(lái)測(cè)量電源噪聲的峰峰值。這種方法有一個(gè)問(wèn)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(lái)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。
對(duì)于小電源的電壓測(cè)試，我們推薦衰減因子為1的無(wú)源傳輸線(xiàn)探頭。使用這類(lèi)探頭時(shí)，示波器的最小刻度可達(dá)2mV/div，不過(guò)其動(dòng)態(tài)范圍有限，偏移的可調(diào)范圍限制在+/-750mV之間，所以，在測(cè)量常見(jiàn)的1.5V、1.8V電源時(shí)，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(hào)的間距可調(diào)節(jié)，探頭的地針可彈性收縮，操作起來(lái)非常方便。通過(guò)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(kāi)，直接把電纜的信號(hào)和地焊接到待測(cè)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(kāi)，焊接到了電腦主板的DDR2供電的1.8V上面，測(cè)量其電源噪聲。
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�，�?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(méi)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(xiàn)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(guò)大，則需要分析噪聲來(lái)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(lái)自于哪些頻率(其頻譜分辨率是同類(lèi)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(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(Pjbreakdown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(guò)這個(gè)案例說(shuō)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(lái)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(lái)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(lái)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deltaf)越小。通常我們的開(kāi)關(guān)電源工作在10KHz以上，如果頻譜分辨率要達(dá)到100Hz的話(huà)，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*10ms=5Mpts的存儲(chǔ)深度。
總結(jié)：本文簡(jiǎn)要介紹了電源噪聲測(cè)試中的注意事項(xiàng)和分析方法。歡迎讀者與筆者聯(lián)系，交流電源噪聲測(cè)試的技術(shù)。
以上就是上海瓷熙對(duì)利用示波器進(jìn)行電源噪聲測(cè)試的介紹，希望可以幫助到大家，若還有關(guān)產(chǎn)品的相關(guān)問(wèn)題，可以撥打頁(yè)面的咨詢(xún)電話(huà)！本公司提供24小時(shí)服務(wù)！
