1關(guān)于電源軌噪聲

電源紋波是電子工程師尤其是電源工程師非常熟悉的一個術(shù)語，它通常被用來評估電源供給的輸出穩(wěn)定性。因?yàn)槠漕l率成分集中在低頻部分，所以測試電源紋波時通常會選擇靠近電源供給位置的測試點(diǎn)（如下圖1中VRM的VCC和GND），并在示波器中設(shè)置20MHz帶寬限制來濾除來自系統(tǒng)其它部分的高頻噪聲。然而在實(shí)際電路中，電源供給端到被供電芯片管腳處的傳輸路徑會有一段較長的距離，長距離傳輸過程中的損耗、干擾等會導(dǎo)致芯片供給電壓的進(jìn)一步波動，而這樣的波動可能會對芯片運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來影響。下圖1所示為一個簡化的四層PCB電路圖，頂層和底層是信號層，中間兩層分別是電源層和地層。電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)用于為芯片供電，它在其VCC管腳和GND管腳之間輸出一個電壓V1，通過電源層和地層傳輸?shù)叫酒腣CC管腳和GND管腳之間，此處的電壓假設(shè)為V2。理論上，V2應(yīng)該等于V1。但是由于VRM和芯片之間存在一條由電源平面和地平面構(gòu)成的低阻抗路徑，如圖1中的虛線所示，該路徑會受到電路中的I/O開關(guān)切換噪聲、串?dāng)_等的影響而導(dǎo)致流經(jīng)的電流產(chǎn)生波動，從而導(dǎo)致V2出現(xiàn)波動，我們將這種電壓波動稱為電源軌噪聲。電源軌噪聲的頻率成分可高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz甚至幾GHz。測試電源軌噪聲時，測試點(diǎn)應(yīng)該選擇在靠近芯片端的位置，且應(yīng)使用足夠帶寬的示波器進(jìn)行測試。

圖1關(guān)于電源軌噪聲

通過分析電源軌噪聲波形，可以定位干擾源。如下圖2所示，左側(cè)的噪聲主要是隨機(jī)性的，干擾源主要為系統(tǒng)熱噪聲、串?dāng)_等；右側(cè)的噪聲是周期性的，根據(jù)噪聲頻率可定位干擾源來自于電路中的哪一個部分。

圖2隨機(jī)性電源軌噪聲和周期性電源軌噪聲

2電源軌噪聲測試挑戰(zhàn)及測試設(shè)備選擇

當(dāng)今的智能消費(fèi)電子產(chǎn)品（如手機(jī)、人工智能產(chǎn)品、電子游戲機(jī)等）功能日益增強(qiáng)、電子元器件密度不斷提高、功耗要求也越來越嚴(yán)格。電子產(chǎn)品中高性能處理器的內(nèi)核通常采用低至1.0伏的電源供給。圖3所示為某高性能處理器的電源電壓供給規(guī)格，其內(nèi)核電壓規(guī)格為1.00V±2%，允許的電壓波動范圍為-20mV至20mV。低電壓以及電路中復(fù)雜的干擾源如高頻時鐘、快速切換開關(guān)、高速信號的串?dāng)_等為電源軌噪聲的測試帶來了挑戰(zhàn)，包括如何精確的測量mV級別的小信號以及如何精確的測量疊加在直流電壓上的小信號。選擇一款合適的示波器并基于正確的測試方法對精確的測試電源軌噪聲至關(guān)重要。

圖3某高性能處理器的電源規(guī)格

首先，應(yīng)該選擇合適帶寬的示波器。一般來說，大多數(shù)高性能高速處理器本身具有高頻濾波功能，其可以將處理器噪聲的頻率限制在幾百M(fèi)Hz以內(nèi)，因此帶寬不低于1GHz的示波器可以滿足大多數(shù)情況下對電源軌噪聲的測試需求。但我們?nèi)耘f應(yīng)該評估整個系統(tǒng)以確認(rèn)是否存在其它更高頻率的干擾源，確保所選擇的示波器帶寬能夠覆蓋到噪聲的最高頻率成分，而且盡可能選擇和噪聲最高頻率相匹配的示波器，因?yàn)閮x器的本底噪聲會隨著帶寬的增加而增大，更高的帶寬會引入更大的噪聲。示波器軟件中的頻譜分析功能可用于觀測電源軌噪聲中的頻率分量。下圖4所示為PicoScope 7軟件中的頻譜分析功能。

圖4 PicoScope 7軟件中內(nèi)置的頻譜分析儀功能

其次，應(yīng)該選擇分辨率更高、直流偏置范圍更大的示波器。

更高的ADC分辨率可降低量化誤差，從而可更清晰地區(qū)分疊加在直流電壓上的噪聲并對其進(jìn)行精確地測量。下圖5所示為使用可調(diào)分辨率（FlexRes）PicoScope示波器在8位模式下采集的數(shù)據(jù)和12位模式下采集的數(shù)據(jù)對比。12位模式下的波形比8位模式下的波形更清晰，噪聲更小。

圖5使用可調(diào)分辨率（FlexRes）PicoScope在8位和12位模式下捕獲的數(shù)據(jù)對比

更大的直流偏置范圍使得用戶能夠在輸入信號上添加一個合適的電壓，以抵消被測信號上的直流成分，僅在示波器上顯示被測噪聲信號，然后即可為噪聲信號選擇一個更匹配的量程范圍，從而能夠充分利用示波器ADC的分辨率和精度來對噪聲信號進(jìn)行精確的測試。圖6（左）所示為在±20V量程下捕獲的1V峰峰值的正弦波波形，放大后波形可見明顯臺階，臺階高度接近180mV，這是ADC的量化步進(jìn)，也即量化誤差。圖6（右）所示為使用了直流偏置對波形進(jìn)行了隔直處理，在示波器上添加了-10V的偏置，并能夠在±5V量程下對波形進(jìn)行采集和測量，從放大后的波形可見量化誤差有了顯著的減小。

圖6 ±20 V量程下采集1 V(p-p)信號以及±5 V量程下(-10V偏置)采集1 V(p-p)信號

另外，還需要選擇一個合適的探頭。為了減少對電路的影響，探頭的輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)高于電源軌的輸出阻抗。小電壓電源的電源軌通常是由一對相鄰且緊密耦合的平面組成，其間并聯(lián)有多個電容器，以提供低于幾十毫歐的極低阻抗。在這種情況下，可以使用輸入阻抗為50歐姆的同軸電纜探頭進(jìn)行測試。探頭的低增益有利于降低測試系統(tǒng)的噪聲，使用50Ω的同軸電纜探頭配合示波器的DC50Ω耦合可以實(shí)現(xiàn)1:1的增益。因此，對于幅度較低（例如1.0V左右）且輸出阻抗較低（例如毫歐級）的電源軌噪聲測量，使用同軸探頭測試電源軌噪聲是一種性價比高的選擇。如果示波器具有足夠的直流偏置范圍，則圖8 (A)所示的連接方式是一個更好的選擇。也可以使用帶有適當(dāng)電容組合的外部隔直適配器，在直流電源信號進(jìn)入示波器之前消除直流偏置后再進(jìn)行測試，如圖8 (C)所示；在示波器中使用DC1M耦合可以避免直流電源信號的大電壓或電流對示波器造成的潛在損壞，但此時需要一個源端終端匹配來消除由于同軸電纜阻抗與示波器輸入阻抗不匹配引起的反射，如圖8 (B)和(D)所示。

圖8采用同軸電纜探頭測試電源軌噪聲連接示意圖

3使用PicoScope測試電源軌噪聲

下圖9所示為使用PicoScope 6424E示波器和PicoScope 7軟件測試得到的某GPU電源軌噪聲波形。PicoScope 6424E示波器帶寬為500MHz，分辨率可在8~12位之間靈活調(diào)節(jié)，采樣率為5GS/s，存儲深度為4GS，直流偏置范圍為±1.25V（±10mV至±1V垂直量程范圍）和±20V（±2V和±5V垂直量程范圍），輸入耦合為50Ω或者1MΩ可選。測量圖示噪聲時，使用了專門設(shè)計的測試夾具和同軸電纜，PicoScope 6424E的設(shè)置為：硬件分辨率12位，測量量程范圍+/-20mV，DC 50Ω耦合，偏置范圍-210mV。

圖9使用PicoScope 7和PicoScope 6424E采集的電源軌噪聲

下圖10所示為使用PicoScope 6424E和有源差分探頭AD 2801測試的另一個電源軌噪聲波形。AD 2801是一款帶寬為800MHz、測試范圍為+/- 15V的有源差分探頭。被測電源信號的幅度約為3.3V，因此設(shè)置了-3.1V的直流偏置，示波器的垂直量程范圍設(shè)置為+/-500mV。圖10（左）是在PicoScope 7中測得的波形，圖10（右）是在Python中采集的波形。

圖10基于PicoScope 6424E分別在PicoScope 7和SDK下采集到的電源軌噪聲波形

4為什么選擇PicoScopes?

圖11 PicoScope 6424E

因PicoScope 6424E具有一些列優(yōu)秀指標(biāo)和獨(dú)特優(yōu)勢，如靈活/高ADC分辨率（8位~12位硬件可調(diào)）、超深存儲深度（高達(dá)4GS）、快速數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)312MS/s）以及易于集成的特性（緊湊的尺寸、簡單的連接、全面的SDK），而被廣泛用于自動化測試系統(tǒng)和研發(fā)過程中的電源軌噪聲測量。

下面列出的一些是用戶喜歡在系統(tǒng)集成項(xiàng)目和OEM應(yīng)用中使用PicoScope示波器的一些原因：

1）高可靠性

Pico Technology成立于1991年，專注于基于PC的測試儀器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的研發(fā)和制造。數(shù)十年的產(chǎn)品迭代和嚴(yán)格的質(zhì)量控制，使得PicoScope示波器擁有高可靠性。

2）高性價比

與傳統(tǒng)臺式儀器不同，PicoScope示波器沒有內(nèi)置PC，故結(jié)構(gòu)簡單，從而可擁有更多獨(dú)特的硬件優(yōu)勢，包括高帶寬、高采樣率、深存儲、高ADC分辨率、靈活可調(diào)ADC分辨率、多個模擬和數(shù)字輸入通道、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)??；谕獠縋C的強(qiáng)大性能，PicoScope示波器可擁有更豐富的軟件功能和更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理能力，如可提供40多個串行解碼器、高級數(shù)學(xué)函數(shù)（FFT、濾波函數(shù)、測量參數(shù)追蹤圖等）。此外，PicoScope示波器擁有數(shù)十種型號，用戶更容易選擇到一款經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且與其應(yīng)用相匹配的產(chǎn)品。

3）高ADC分辨率和靈活可調(diào)ADC分辨率

PicoScope示波器提供從8位到16位的各種垂直分辨率選項(xiàng)。分辨率越高，垂直精度和動態(tài)范圍就越大，波形顯示就越清晰，測量結(jié)果會更精確。PicoScope示波器的ADC分辨率靈活可調(diào)，這個獨(dú)特特點(diǎn)得益于Pico突破性的ADC管理技術(shù)，該技術(shù)允許用戶在一個設(shè)備中通過協(xié)調(diào)多個ADC的工作從而實(shí)現(xiàn)從8位到16位的靈活切換。

4）強(qiáng)大的軟件開發(fā)包PicoSDK

PicoScope示波器提供了很多傳統(tǒng)臺式示波器通常不具備的互聯(lián)和定制功能。SDK（軟件開發(fā)工具包）允許用戶為特定項(xiàng)目創(chuàng)建自定義應(yīng)用程序。這使得PicoScope示波器不僅僅是一臺通用的示波器。在SDK下運(yùn)行的PicoScope示波器擁有更加出色的性能，比如它可以以高達(dá)312 MS/s的速度連續(xù)采集數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)絇C，可實(shí)現(xiàn)最高200萬段的分段存儲，可以設(shè)置高級觸發(fā)功能，可以編程控制示波器內(nèi)置的任意波形發(fā)生器或函數(shù)發(fā)生器輸出波形等?；赟DK編程控制PicoScope示波器簡單容易，您可以在github.com/picotech上找到大量的基于各種編程語言的示例代碼，而且我們也有專門的支持團(tuán)隊為用戶自定義開發(fā)提供技術(shù)支持。

所有Pico產(chǎn)品（包括PicoScope示波器）均附帶免費(fèi)的SDK。SDK包含適用于Windows、macOS、Linux和Raspberry Pi (ARM7)的驅(qū)動程序。它允許用戶使用諸如C、C#、C++、Python、MATLAB、LabVIEW和Microsoft Excel等通用的編程語言編寫自己的應(yīng)用程序來控制儀器。

5）緊湊輕便

與往往比較笨重的傳統(tǒng)臺式示波器不同，PicoScope示波器緊湊、輕便且便于攜帶。與筆記本電腦配合使用時，PicoScope示波器可讓您將整套電子工具與電腦一起裝入一個包中。小巧的尺寸也使PicoScope示波器更易于集成到系統(tǒng)中，而幾乎不會增加重量或體積。