电源噪声测试
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摘要：90年代芯片的供电通常是5V和3.3V，而现在，高速Ic的供电通常为2.5V、1.8V或1.5V。本文将简要地讨论和分析如何对这类低电压直流电源进行电压测试。
关键词：电源噪声；量化误差；频谱分析；FFT
引言
在电压较低的直流电源的电压测试(简称电源噪声测试)中，通常有三个问题导致测量不准确：一是示波器的量化误差，二是使用衰减因子大的探头测量小电压，三是探头的GND和信号两个探测点的距离过大。
减小量化误差
示波器存在量化误差。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1中蓝色波形信号(c3)的垂直刻度是红色波形(C2)的1／4，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)。如果测量C2和C3两个波形的一些垂直或水平参数，可以发现占满屏幕的信号C2的测量参数统计值标准偏差小于后者，这说明前者测量结果具有更好的一致性和准确性。
探头对测量电源噪声的影响
测量电源噪声时，通常使用有源或无源探头探测芯片的电源引脚和地引脚，然后将示波器设置为长余辉模式，用两个水平游标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的衰减因子为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，如果电源噪声按5％的比例来算，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倍衰减的探头无法准确测试1.8V／1.5V等的小电压。在实际测试1.8V噪声时，垂直刻度通常为5mV／div～10mV／div之间。
另外，探头的GND和信号两个探测点的距离也非常重要，当两点相距较远的，会有很多EMI噪声辐射到探头的信号回路中，如图2所示，示波器观察的波形包括了其他信号分量，导致错误的测试结果。因此要尽量减小探头的信号与地的探测点间距，减小环路面积。
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，需要经隔直电路后再输入到示波器。
力科PP066探头的地针可弹性收缩，操作起来非常方便。探头通过同轴电缆加隔直模块后连接到示波器通道上。也可以把同轴电缆剥开，直接把电缆的信号和地焊接到待测试电源的电源和地上。
示波器通道输入阻抗选择
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／DCIM／ACIM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1MΩ的输入阻抗，另一些认为50Ω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1MΩ时，通常其测量出的电源噪声大于50Ω输入阻抗时的。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50Ω时，同轴电缆的特性阻抗50Ω与通道的完全匹配，没有反射；而通道输入阻抗为1MΩ时，相当于是高阻，根据传输线理论，电源噪声会发生反射，从而导致1MΩ输入阻抗时测试的电源噪声高于50Ω。所以，测量小电源噪声推荐使用50Ω的输入阻抗。
频谱分析可定位嗓声来源
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(快速傅立叶变换)，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128M个点的FFT，能准确定位电源噪声来自于哪些频率。
例如某光模块的3.3V电源噪声，其噪声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3中可以看到，把1.25G串行信号的周期性抖动分解后(Pjbreakdown菜单)，发现312kHz的周期性抖动为63.7ps，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。
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。
这里推荐采样率在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。高于这个频率的可在封装和芯片级采用去耦措施来完成。
波形的采集时间越长，则转化为频谱后的频谱分辨率(即deltaf)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×10ms=5Mpts的存储深度。