教你们如何准确地测量芯片的电源噪声
随着5g、车联网等技术的飞速发展，信号的传输速度越来越快，集成电路芯片的供电电压随之越来越小。早期芯片的供电通常是5v和3.3v，而现在高速ic的供电电压已经到了2.5v、1.8v或1.5v，有的芯片的核电压甚至到了1v。芯片的供电电压越小，电压波动的容忍度也变得越苛刻。对于这类供电电压较小的高速芯片的电压测试用电源噪声表示，测求要求从±5%到 ±-1.5%，乃至更低。
图1 日益发展的技术对芯片电压测试的挑战
如果芯片的电源噪声没有达到规范要求，就会影响产品的性能，乃至整机可靠性。因此工程师需要准确地测量现代电路产品中的芯片电压的电源噪声。
2、芯片电源噪声的特点
2.1 更小幅度，更高频率
以往电源噪声的要求维持在几十mv的量级，而随着芯片电压的降低，很多芯片的电源噪声已经到了mv的量级，某些电源敏感的芯片要求甚至到了百uv的量级。直流电源上的噪声是数字系统中时钟和数据抖动的主要来源。处理器、内存等芯片对直流电源的动态负载随着各自时钟频率而发生，并可能在直流电源上耦合高速瞬态变化和噪声，它们包含了1 ghz以上的频率成分。
因此与传统的电源相比，芯片电源的噪声具有频率高/幅度小等特点，这就为了工程师准确地测得芯片的电源噪声带来了挑战。
表1 传统电源和芯片电源频率和噪声范围
2.2 电源分布网络（pdn）引入的噪声干扰
为了保证电路上各个芯片的供电，电源分布网络（pdn）遍布整个pcb。如果电源分布网络靠近时钟或者数据的pcb走线，那么时钟/数据的变化会耦合到电源分布网络上，也会成为电源噪声的来源。在这种情况下，工程师还需要定位电源噪声的来源，以便后续调整pcb的布局和布线，减少pdn网络受到的干扰。
图2 时钟/数据传输线耦合到电源分布网络的干扰
3、影响电源噪声测试准确性的因素
示波器是电源噪声测试的重要仪器。为了能够准确地测量ghz带宽内mv级别的电源噪声，并定位干扰电源分布网络的噪声来源，需要考虑如下因素：示波器的底噪，探头的衰减比，示波器的偏置补偿能力，探头的探接方式，以及示波器的fft能力等等。
3.1 示波器底噪
示波器本身是有噪声的。当示波器测试电源噪声时，其底噪会附加到被测的电源噪声上，进而影响电源噪声的测试结果。
图3 示波器底噪对电源噪声测试结果的影响
3.2 探头的衰减比
目前最常用的500mhz带宽的无源探头的衰减比为10:1，其会放大示波器的底噪，影响电源噪声测试的不确定性。
如果用传统的衰减比为1:1的无源探头，可以避免放大示波器的底噪。但是这种探头的带宽一般在38mhz，无法测到更高频率的电源噪声。同样会影响电源噪声测试的不确定性。
所以，为了准确测量电源噪声，需要一款衰减比为1:1，带宽到ghz的探头。
图4 探头的衰减比对电源噪声测试的影响
3.3 示波器的偏置补偿能力
电源噪声是叠加在芯片直流电压上的噪声，为此需要将示波器的偏置电压设到与直流电压相等的水平，再测量电源的噪声。例如某芯片的供电电压是3.3v，首先将示波器的偏置电压调到3.3v，然后再测试3.3v直流电源上的噪声波动，但是示波器在该偏置电压的垂直挡位会受限，一般只能到20mv/div，用来测试mv级别的电源噪声，会带来很大的误差。
为了解决类似问题，有的工程师使用隔直电容去除直流，但会导致直流电源压缩和丢失低频漂移信息。如果电容值选取不当，还会影响高频能量。
图5 示波器的偏置补偿能力受限
图6 隔直电容影响低频信息
3.4 探头的探接方式
电路形态各异，需要有更灵活的方法来进行信号的探接。探接的稳定性和寄生参数对被测电源电路的影响不可忽视，所以需要尽量贴近芯片的管脚，并使用短地线。
图7 贴近芯片管脚，使用短地线
3.5 示波器的fft能力
由于电源分布网络pdn会受到干扰噪声的来源，因此需要示波器具有强大的fft分析能力，以便分析的干扰噪声的频率，进而排查噪声的源头。
图8 fft分析电源噪声的频谱
4、罗德与施瓦茨（r&s）的芯片电源测试方案
为了准确地测量芯片的电源噪声，罗德与施瓦茨公司（r&s公司）提供了示波器主机和power rail电源轨探头。
4.1 测试仪器
r&s公司推出的rto/rte系列示波器，具有百uv级别底噪，在标称带宽内具有1mv/div的垂直挡位（硬件实现，非放大），并具有强大的具备硬件数字下变频器（ddc）实现的准实时频谱分析功能，可以帮助工程师准确地测量电源噪声，并排查干扰噪声的来源。
power rail电源轨探头rt-zpr20（2ghz） / rt-zpr40（3.5ghz）具有优异的性能，专门位为电源测试量身打造。
① 在2ghz/3.5ghz带宽内具备标准化的衰减比，保证能够测试到ghz带宽mv级别的电源噪声；
② 探头内置+/-60v的偏置能力，提升测试系统的偏置补偿能力；
③ 探头具有50 kω 的高直流输入阻抗，可最大程度地降低对待测电源的干扰；
④ 探头内部集成式 16 位数字电压计功能可同步读取每路电源的直流电压数值，并可一键精准设置示波器的偏置电压；
⑤ 专用的同轴探测线缆可焊接到电源滤波电容的两端，标配的点测附件则便于pcb上不同位置的轻松探测。
图11 rto-zpr20/40的各种连接方式与带宽
4.2 测试实例
下面介绍利用rto示波器和 power rail电源轨探头rt-zpr20测试电源噪声，并排查噪声来源的实例。
图12 一次探接便可从时频和域测试电源噪声
将rt-zpr20探头连接到测试点后，按照如下操作进行测试
① rt-zpr20内置电压计实现高精度dc电压测试，测得电源电压为3.3v；
② rt-zpr20的偏置设到3.3v附近，并将示波器两成设到10mv/div；
③ 示波器测得电源噪声波形，从时域波形上发现有明显的干扰噪声；
④ 对电源噪声幅值进行测试与统计；
⑤ fft频谱分析，得到干扰噪声的频谱，确定噪声的来源。
5、总结
r&s公司的rto/rte系列示波器，配以专门的电源轨探头rt-zpr20/40，可以准确测量芯片的电源噪声，优异的频谱fft分析能力还可以快速排查电源噪声，保证产品的可靠性。
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2.1 更小幅度，更高频率
以往电源噪声的要求维持在几十mv的量级，而随着芯片电压的降低，很多芯片的电源噪声已经到了mv的量级，某些电源敏感的芯片要求甚至到了百uv的量级。直流电源上的噪声是数字系统中时钟和数据抖动的主要来源。处理器、内存等芯片对直流电源的动态负载随着各自时钟频率而发生，并可能在直流电源上耦合高速瞬态变化和噪声，它们包含了1 ghz以上的频率成分。
因此与传统的电源相比，芯片电源的噪声具有频率高/幅度小等特点，这就为了工程师准确地测得芯片的电源噪声带来了挑战。
表1 传统电源和芯片电源频率和噪声范围
2.2 电源分布网络（pdn）引入的噪声干扰
为了保证电路上各个芯片的供电，电源分布网络（pdn）遍布整个pcb。如果电源分布网络靠近时钟或者数据的pcb走线，那么时钟/数据的变化会耦合到电源分布网络上，也会成为电源噪声的来源。在这种情况下，工程师还需要定位电源噪声的来源，以便后续调整pcb的布局和布线，减少pdn网络受到的干扰。
图2 时钟/数据传输线耦合到电源分布网络的干扰
3、影响电源噪声测试准确性的因素
示波器是电源噪声测试的重要仪器。为了能够准确地测量ghz带宽内mv级别的电源噪声，并定位干扰电源分布网络的噪声来源，需要考虑如下因素：示波器的底噪，探头的衰减比，示波器的偏置补偿能力，探头的探接方式，以及示波器的fft能力等等。
3.1 示波器底噪
示波器本身是有噪声的。当示波器测试电源噪声时，其底噪会附加到被测的电源噪声上，进而影响电源噪声的测试结果。
图3 示波器底噪对电源噪声测试结果的影响
3.2 探头的衰减比
目前最常用的500mhz带宽的无源探头的衰减比为10:1，其会放大示波器的底噪，影响电源噪声测试的不确定性。
如果用传统的衰减比为1:1的无源探头，可以避免放大示波器的底噪。但是这种探头的带宽一般在38mhz，无法测到更高频率的电源噪声。同样会影响电源噪声测试的不确定性。
所以，为了准确测量电源噪声，需要一款衰减比为1:1，带宽到ghz的探头。
图4 探头的衰减比对电源噪声测试的影响
3.3 示波器的偏置补偿能力
电源噪声是叠加在芯片直流电压上的噪声，为此需要将示波器的偏置电压设到与直流电压相等的水平，再测量电源的噪声。例如某芯片的供电电压是3.3v，首先将示波器的偏置电压调到3.3v，然后再测试3.3v直流电源上的噪声波动，但是示波器在该偏置电压的垂直挡位会受限，一般只能到20mv/div，用来测试mv级别的电源噪声，会带来很大的误差。
为了解决类似问题，有的工程师使用隔直电容去除直流，但会导致直流电源压缩和丢失低频漂移信息。如果电容值选取不当，还会影响高频能量。
图5 示波器的偏置补偿能力受限
图6 隔直电容影响低频信息
3.4 探头的探接方式
电路形态各异，需要有更灵活的方法来进行信号的探接。探接的稳定性和寄生参数对被测电源电路的影响不可忽视，所以需要尽量贴近芯片的管脚，并使用短地线。
图7 贴近芯片管脚，使用短地线
3.5 示波器的fft能力
由于电源分布网络pdn会受到干扰噪声的来源，因此需要示波器具有强大的fft分析能力，以便分析的干扰噪声的频率，进而排查噪声的源头。
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5、总结
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