電源紋波和噪聲測(cè)量

今天的電子電路（比如手機(jī)、服務(wù)器等領(lǐng)域）的切換速度、信號(hào)擺率比以前更高，同時(shí)芯片的封裝和信號(hào)擺幅卻越來越小，對(duì)噪聲更加敏感。因此，今天的電路設(shè)計(jì)者們比以前會(huì)更關(guān)心電源噪聲的影響。實(shí)時(shí)示波器是用來進(jìn)行電源噪聲測(cè)量的一種常用工具，但是如果使用方法不對(duì)可能會(huì)帶來完全錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。

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

示波器的主要噪聲來源于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調(diào)整垂直量程。設(shè)置衰減以后示波器本身的噪聲會(huì)被放大。比如，當(dāng)不用衰減器時(shí)，示波器的基本量程是5mV/格，假設(shè)此時(shí)示波器此時(shí)的底噪聲是500uVRMS。當(dāng)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(hào)，示波器顯示時(shí)會(huì)把信號(hào)再放大10倍顯示。因此此時(shí)示波器的底噪聲看起來就有5mVRMS了。因此，測(cè)量噪聲時(shí)應(yīng)盡可能使用示波器靈敏的量程檔。但是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(cè)直流電壓拉到示波器屏幕中心范圍進(jìn)行測(cè)試，因此通常需要利用示波器的AC耦合功能把直流電平濾掉只測(cè)量AC成分。

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

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

探頭帶來的噪聲是在在衰減器前面耦合進(jìn)來的，因此無論衰減比設(shè)置多少，探頭貢獻(xiàn)的噪聲都是一定的。但是，在某些不正確的使用方法下，探頭可能會(huì)帶來額外的噪聲，一個(gè)典型的例子就是使用長(zhǎng)地線。為了方便測(cè)試，示波器的的無源探頭通常會(huì)使用15cm左右的鱷魚夾形式的長(zhǎng)地線，但是這對(duì)于電源紋波的測(cè)試卻是不適用的，特別是板上存在開關(guān)電源的場(chǎng)合。由于開關(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(zhǎng)地線又恰恰相當(dāng)于一個(gè)天線，所以會(huì)從空間把大的電磁干擾引入測(cè)量電路。一個(gè)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證方法就是把地線和探頭前端接在一起，靠近被測(cè)電路（不直接接觸）就可能在示波器上看到比較大的開關(guān)噪聲。因此測(cè)量過程中應(yīng)該使用盡可能短的地線。

現(xiàn)在很多被測(cè)件要求測(cè)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)候用同軸電纜來進(jìn)行測(cè)量，雖然同軸電纜的阻抗只有50歐姆，但是對(duì)于毫偶級(jí)別的被測(cè)電源來說，負(fù)載影響很小，測(cè)試精度非常高。

但是用同軸電纜，示波器設(shè)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(cè)的電源的接觸點(diǎn)放置電容。電容一邊連接被測(cè)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(cè)試探頭。做一個(gè)小的PCB，PCB兩端放置SMA接頭，中間裸露出來，可以用來放置電容。圖3是自制探頭的示例。

要注意的一點(diǎn)是，通常電源測(cè)試都規(guī)定了某個(gè)頻率范圍內(nèi)的紋波和噪聲，比如20MHz以內(nèi)的，而一般示波器的帶寬都大于這個(gè)要求，因此測(cè)試時(shí)可以打開示波器的帶寬限制功能，這對(duì)于減小高頻噪聲也會(huì)有比較好的效果。

小結(jié)一下，對(duì)于電源紋波噪聲的測(cè)試，通常需要注意以下幾點(diǎn)：

• 盡量使用自制的電源測(cè)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；

• 探頭的接地線盡量短；

• 根據(jù)需要使用帶寬限制功能。

PDN輸出阻抗的測(cè)量

要衡量PDN性能，只用示波器測(cè)試CPU和IC管腳的電源紋波和噪聲是不夠的，而且出現(xiàn)問題后也沒有辦法定位問題。要**衡量PDN的性能，還需要測(cè)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(cè)試PDN，有兩大挑戰(zhàn)：1、PDN的輸出阻抗和傳輸阻抗是豪歐級(jí)的（一般2m歐姆左右），想準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量的功能。

用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試毫歐級(jí)的輸出阻抗，不能簡(jiǎn)單的用一端口測(cè)試方法，因?yàn)樽杩固?，反射太大。這時(shí)比較好的方法是用雙端口測(cè)試方法，測(cè)試時(shí)用S21代替S11。

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

電路板系統(tǒng)級(jí)PDN測(cè)量，如何探測(cè)？

要進(jìn)行電路板系統(tǒng)級(jí)PDN的測(cè)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(hào)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(hào)針，外包的屏蔽焊接短線供連接地用。

探測(cè)時(shí)，盡量不要在同一個(gè)面探測(cè)，因?yàn)殡娏鳝h(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(cè)，請(qǐng)盡量使用半剛性SMA電纜自制的短針探頭探測(cè)。

如果不需要進(jìn)行 kHz 級(jí)以下的測(cè)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(shù)端口和簡(jiǎn)單的配置來對(duì)不加電或加電的系統(tǒng)電路板上的 PDN 阻抗進(jìn)行高達(dá) 3 GHz 的測(cè)量。如果我們需要測(cè)量比較低的頻率響應(yīng)，可用該儀器的增益－相位測(cè)試端口在 5 Hz 到 30 MHz 的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。在系統(tǒng)電路板應(yīng)用方面，直流－直流轉(zhuǎn)換器的高直流環(huán)路增益在它感應(yīng)線的連接點(diǎn)上保持著極低的低頻阻抗值。遠(yuǎn)離感應(yīng)點(diǎn)時(shí)，水平面電阻將使低頻值增大。這不是測(cè)量誤差，而是系統(tǒng)電路板 PDN 的實(shí)際特征。

DC-DC轉(zhuǎn)換器環(huán)路增益測(cè)量