胡為東系列文章之六--小電壓電源噪聲的測(cè)量
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時(shí)間：2017-01-12
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影響電源噪聲測(cè)試結(jié)果的主要因素有：在電源噪聲測(cè)試中，通常有如下幾個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確：
l是否需要增加20MHZ的濾波
l示波器的量化誤差
l使用衰減因子大的探頭測(cè)量小電壓
l探頭的GND和信號(hào)兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)的距離過(guò)大
1、是否需要增加20MHZ的濾波
過(guò)去我們?cè)谶M(jìn)行電源紋波測(cè)試過(guò)程中，由于電源導(dǎo)致的噪聲頻率通常比較低，因此通常默認(rèn)需要加20MHZ的濾波，目的是濾除高于20MHZ以上的噪聲，來(lái)驗(yàn)證主要由于電源因素引起的噪聲大小。但是在實(shí)際情況下，往往還需要驗(yàn)證在所有頻段上電源上的噪聲情況如何，因此我們需要提前弄清楚是否需要增加20MHZ的濾波。如下圖所示為某DDR2/DDR3對(duì)電源紋波的要求：
圖1某DDR2的手冊(cè)對(duì)電源噪聲的要求
圖2某DDR3的手冊(cè)對(duì)電源噪聲的要求
2、量化誤差
示波器存在量化誤差，通常實(shí)時(shí)示波器的ADC為8位，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為2的8次方（即256個(gè)）量化的級(jí)別，當(dāng)顯示的波形只占屏幕很小一部分時(shí)，則增大了量化的間隔，減小了精度，準(zhǔn)確的測(cè)量需要調(diào)節(jié)示波器的垂直刻度（必要時(shí)使用可變?cè)鲆妫?，盡量讓波形占滿(mǎn)屏幕，充分利用ADC的垂直動(dòng)態(tài)范圍。在圖3中藍(lán)色波形信號(hào)（C3）的垂直刻度是紅色波形（C2）四分之一，對(duì)兩個(gè)波形的上升沿進(jìn)行放大（F1=ZOOM(C2), F2=ZOOM(C3)），然后對(duì)放大的波形作長(zhǎng)余輝顯示，可以看到，右上部分的波形F1有較多的階梯（即量化級(jí)別），而右下部分波形F2的階梯較少（即量化級(jí)別更少）。如果對(duì)C2和C3兩個(gè)波形測(cè)量一些垂直或水平參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)占滿(mǎn)屏幕的信號(hào)C2的測(cè)量參數(shù)統(tǒng)計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于后者的。說(shuō)明了前者測(cè)量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。
另外為了更加精確的測(cè)量小電壓的電源噪聲，可以選擇使用具有更高ADC位數(shù)的示波器，如力科新推出的12位HRO系列的示波器。
3、避免使用衰減因子大的探頭測(cè)量小電壓
通常測(cè)量電源噪聲，使用有源或者無(wú)源探頭，探測(cè)某芯片的電源引腳和地引腳，然后示波器設(shè)置為長(zhǎng)余輝模式，最后用兩個(gè)水平游標(biāo)來(lái)測(cè)量電源噪聲的峰峰值。這種方法有一個(gè)問(wèn)題是，常規(guī)的無(wú)源探頭或有源探頭，其衰減因子為10，和示波器連接后，垂直刻度的最小檔位為20mV，在不使用DSP濾波算法時(shí)，探頭的本底噪聲峰峰值約為30mV。以DDR2的1.8V供電電壓為例，如果按5％來(lái)算，其允許的電源噪聲為90mV，探頭的噪聲已經(jīng)接近待測(cè)試信號(hào)的1/3，所以，用10倍衰減的探頭是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)試1.8V/1.5V等小電壓。在實(shí)際測(cè)試1.8V噪聲時(shí)，垂直刻度通常為5-10mV/div之間。
對(duì)于小電源的電壓測(cè)試，我們推薦衰減因子為1的無(wú)源傳輸線(xiàn)探頭。使用這類(lèi)探頭時(shí)，示波器的最小刻度可達(dá)2mV/div，不過(guò)其動(dòng)態(tài)范圍有限，偏移的可調(diào)范圍限制在+/-750mV之間，所以，在測(cè)量常見(jiàn)的1.5V、1.8V電源時(shí)，需要隔直電路（DC-Block）后再輸入到示波器。如圖4為力科的PP066傳輸線(xiàn)探頭，該探頭的地與信號(hào)的間距可調(diào)節(jié)，探頭的地針可彈性收縮，操作起來(lái)非常方便。通過(guò)同軸電纜加隔直模塊后連接到示波器通道上。
在電源噪聲測(cè)試中，還存在示波器通道輸入阻抗選擇的爭(zhēng)議。示波器的通道有DC50/DC1M/AC1M三個(gè)選項(xiàng)可選（對(duì)于高端示波器，可能只有DC50一個(gè)選項(xiàng)）。一些工程師認(rèn)為應(yīng)該使用1M歐的輸入阻抗，另一些認(rèn)為50歐的輸入阻抗更合適。
在測(cè)試中我們發(fā)現(xiàn)：如果使用1倍衰減的探頭測(cè)試，當(dāng)示波器通道輸入為1M歐時(shí)，通常其測(cè)量出的電源噪聲大于50歐輸入阻抗的。原因是：高頻電源噪聲從同軸電纜傳輸?shù)绞静ㄆ魍ǖ篮?，?dāng)示波器輸入阻抗是50歐時(shí)，同軸電纜的特性阻抗50歐與通道的完全匹配，沒(méi)有反射；而通道輸入阻抗為1M歐時(shí)，相當(dāng)于是高阻，根據(jù)傳輸線(xiàn)理論，電源噪聲發(fā)生反射，這樣，導(dǎo)致1M歐輸入阻抗是測(cè)試的電源噪聲高于50歐的。所以，測(cè)量小電源噪聲推薦使用50歐的輸入阻抗。
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