電源紋波和噪聲測量

今天的電子電路（比如手機、服務(wù)器等領(lǐng)域）的切換速度、信號擺率比以前更高，芯片的封裝和信號擺幅卻越來(lái)越小，對噪聲更加敏感。今天的電路設計者們比以前會(huì )更關(guān)心電源噪聲的影響。實(shí)時(shí)示波器是用來(lái)進(jìn)行電源噪聲測量的一種常用工具，如果使用方法不對可能會(huì )帶來(lái)完全錯誤的測量結果。

由于電源噪聲帶寬很寬，很多人會(huì )選擇示波器做電源噪聲測量。不能忽略的是，實(shí)時(shí)寬帶數字示波器以及其探頭都有其固有的噪聲。如果要測量的噪聲與示波器和探頭的噪聲在相同數量級，那么要進(jìn)行**測量將是非常困難的一件事情。

示波器的主要噪聲來(lái)源于2個(gè)方面：示波器本身的噪聲和探頭的噪聲。

所有的實(shí)時(shí)示波器都使用衰減器和放大器來(lái)調整垂直量程。設置衰減以后示波器本身的噪聲會(huì )被放大。比如，當不用衰減器時(shí)，示波器的基本量程是5mV/格，假設此時(shí)示波器此時(shí)的底噪聲是500uVRMS。當把量程改成50mV/格時(shí)，示波器會(huì )在輸入電路中增加一個(gè)10：1的衰減器。為了顯示正確的電壓信號，示波器顯示時(shí)會(huì )把信號再放大10倍顯示。此時(shí)示波器的底噪聲看起來(lái)就有5mVRMS了。測量噪聲時(shí)應盡可能使用示波器靈敏的量程檔。示波器在靈敏檔下通常不具有足夠的偏置范圍可以把被測直流電壓拉到示波器屏幕中心范圍進(jìn)行測試，通常需要利用示波器的AC耦合功能把直流電平濾掉只測量AC成分。

現在有12bits的示波器上市，如安捷倫9000H系列示波器，其噪聲相對小的多，只有0.7v@100mv/格，能夠用12bits示波器，則是的選擇。

基于同樣的原因，在電源測量中也應該盡量使用1：1的探頭而不是示波器標配的10：1的探頭。否則示波器的噪聲也會(huì )被放大。

探頭帶來(lái)的噪聲是在在衰減器前面耦合進(jìn)來(lái)的，無(wú)論衰減比設置多少，探頭貢獻的噪聲都是一定的。在某些不正確的使用方法下，探頭可能會(huì )帶來(lái)額外的噪聲，一個(gè)典型的例子就是使用長(cháng)地線(xiàn)。為了方便測試，示波器的的無(wú)源探頭通常會(huì )使用15cm左右的鱷魚(yú)夾形式的長(cháng)地線(xiàn)，這對于電源紋波的測試卻是不適用的，特別是板上存在開(kāi)關(guān)電源的場(chǎng)合。由于開(kāi)關(guān)電源的切換會(huì )在空間產(chǎn)生大量的電磁輻射，而示波器探頭的長(cháng)地線(xiàn)又恰恰相當于一個(gè)天線(xiàn)，會(huì )從空間把大的電磁干擾引入測量電路。一個(gè)簡(jiǎn)單的驗證方法就是把地線(xiàn)和探頭前端接在一起，靠近被測電路（不直接接觸）就可能在示波器上看到比較大的開(kāi)關(guān)噪聲。測量過(guò)程中應該使用盡可能短的地線(xiàn)。

現在很多被測件要求測量出峰峰值為幾毫伏的紋波和噪聲，比如有些10Gbps以上的SerDes要求3mv峰峰值的電源紋波和噪聲。這時(shí)候用同軸電纜來(lái)進(jìn)行測量，同軸電纜的阻抗只有50歐姆，對于毫偶級別的被測電源來(lái)說(shuō)，負載影響很小，測試精度非常高。

用同軸電纜，示波器設置為50歐姆輸入阻抗時(shí)，示波器都是DC耦合，這時(shí)候可有兩種處理手段：其一，在被測的電源的接觸點(diǎn)放置電容。電容一邊連接被測件，一邊接觸同軸電纜。一般電容用0.1uF即可。其二，制作電源測試探頭。做一個(gè)小的PCB，PCB兩端放置SMA接頭，中間裸露出來(lái)，可以用來(lái)放置電容。圖3是自制探頭的示例。

要注意的一點(diǎn)是，通常電源測試都規定了某個(gè)頻率范圍內的紋波和噪聲，比如20MHz以?xún)鹊模话闶静ㄆ鞯膸挾即笥谶@個(gè)要求，測試時(shí)可以打開(kāi)示波器的帶寬限制功能，這對于減小高頻噪聲也會(huì )有比較好的效果。

小結一下，對于電源紋波噪聲的測試，通常需要注意以下幾點(diǎn)：

盡量使用自制的電源測試探頭

盡量使用12bits示波器

盡量使用示波器靈敏的量程檔；

盡量使用AC耦合功能；

盡量使用小衰減比的探頭；

探頭的接地線(xiàn)盡量短；

根據需要使用帶寬限制功能。

PDN輸出阻抗的測量

要衡量PDN性能，只用示波器測試CPU和IC管腳的電源紋波和噪聲是不夠的，出現問(wèn)題后也沒(méi)有辦法定位問(wèn)題。要**衡量PDN的性能，還需要測試PDN的輸出阻抗（隨頻率變化的阻抗）和PDN的傳輸阻抗（也是隨頻率變化的阻抗），就像表征一個(gè)單端口網(wǎng)絡(luò )或雙端口網(wǎng)絡(luò )一樣去表征PDN。這就要用到網(wǎng)絡(luò )分析儀工具。

用網(wǎng)絡(luò )分析儀去測試PDN，有兩大挑戰：1、PDN的輸出阻抗和傳輸阻抗是豪歐級的（一般2m歐姆左右），想準確測試，是一件比較困難的事情。2、PDN工作時(shí)是帶直流電壓的，即帶偏置的，需要網(wǎng)絡(luò )分析儀有偏置測量的功能。

用網(wǎng)絡(luò )分析儀測試毫歐級的輸出阻抗，不能簡(jiǎn)單的用一端口測試方法，因為阻抗太小，反射太大。這時(shí)比較好的方法是用雙端口測試方法，測試時(shí)用S21代替S11。

假設探測試電纜電感約為0，Z(DUT)遠小于Zo（VNA端口阻抗），PDN輸出阻抗的計算公式如下：ZDUT=Z11=S21x25用網(wǎng)絡(luò )分析儀測試毫歐級的輸出阻抗，也是用雙端口測試方法。假設探測試電纜電感約為0，Z11，Z21，Z22遠小于Zo，PDN傳輸阻抗的計算公式如下：Z21=Z12=S21x25

電路板系統級PDN測量，如何探測？

要進(jìn)行電路板系統級PDN的測量，使用SMA連接器或半剛性SMA同軸電纜。SMA連接器中間是信號針，四周四個(gè)腳是地針，需要用鉗子把3個(gè)腳針剪掉，留下一個(gè)即可。半剛性SMA電纜則需要剪斷，露出中間的信號針，外包的屏蔽焊接短線(xiàn)供連接地用。

探測時(shí)，盡量不要在同一個(gè)面探測，因為電流環(huán)路產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì )使得探頭之間互相耦合，產(chǎn)生誤差。如果只能在一面探測，請盡量使用半剛性SMA電纜自制的短針探頭探測。

如果不需要進(jìn)行 kHz 級以下的測量，并且可以在連接電纜上使用磁心，我們可以用 E5061B VNA 的 S 參數端口和簡(jiǎn)單的配置來(lái)對不加電或加電的系統電路板上的 PDN 阻抗進(jìn)行高達 3 GHz 的測量。如果我們需要測量比較低的頻率響應，可用該儀器的增益－相位測試端口在 5 Hz 到 30 MHz 的頻率范圍內進(jìn)行測量。在系統電路板應用方面，直流－直流轉換器的高直流環(huán)路增益在它感應線(xiàn)的連接點(diǎn)上保持著(zhù)極低的低頻阻抗值。遠離感應點(diǎn)時(shí)，水平面電阻將使低頻值增大。這不是測量誤差，而是系統電路板 PDN 的實(shí)際特征。

DC-DC轉換器環(huán)路增益測量