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(gè)術(shù)語(yǔ)，它通常被用來(lái)評(píng)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(cè)試電源紋波時(shí)通常會(huì)選擇靠近電源供給位置的測(cè)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(lái)濾除來(lái)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(huì)有一段較長(zhǎng)的距離，長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中的損耗、干擾等會(huì)導(dǎo)致芯片供給電壓的進(jìn)一步波動(dòng)，而這樣的波動(dòng)可能會(huì)對(duì)芯片運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來(lái)影響。下圖1所示為一個(gè)簡(jiǎn)化的四層PCB電路圖，頂層和底層是信號(hào)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(gè)電壓V1，通過(guò)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(huì)受到電路中的I/O開(kāi)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(dòng)，從而導(dǎo)致V2出現(xiàn)波動(dòng)，我們將這種電壓波動(dòng)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(cè)試電源軌噪聲時(shí)，測(cè)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(cè)試。

圖1關(guān)于電源軌噪聲

通過(guò)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(lái)自于電路中的哪一個(gè)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(cè)試挑戰(zhàn)及測(cè)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(lái)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(dòng)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(shí)鐘、快速切換開(kāi)關(guān)、高速信號(hào)的串?dāng)_等為電源軌噪聲的測(cè)試帶來(lái)了挑戰(zhàn)，包括如何精確的測(cè)量mV級(jí)別的小信號(hào)以及如何精確的測(cè)量疊加在直流電壓上的小信號(hào)。選擇一款合適的示波器并基于正確的測(cè)試方法對(duì)精確的測(cè)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(lái)說(shuō)，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(duì)電源軌噪聲的測(cè)試需求。但我們?nèi)耘f應(yīng)該評(píng)估整個(gè)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(huì)隨著帶寬的增加而增大，更高的帶寬會(huì)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(cè)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(duì)其進(jìn)行精確地測(cè)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(duì)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(duì)比

更大的直流偏置范圍使得用戶能夠在輸入信號(hào)上添加一個(gè)合適的電壓，以抵消被測(cè)信號(hào)上的直流成分，僅在示波器上顯示被測(cè)噪聲信號(hào)，然后即可為噪聲信號(hào)選擇一個(gè)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(lái)對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行精確的測(cè)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(jiàn)明顯臺(tái)階，臺(tái)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(duì)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(duì)波形進(jìn)行采集和測(cè)量，從放大后的波形可見(jiàn)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(hào)以及±5 V量程下(-10V偏置)采集1 V(p-p)信號(hào)

另外，還需要選擇一個(gè)合適的探頭。為了減少對(duì)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(duì)相鄰且緊密耦合的平面組成，其間并聯(lián)有多個(gè)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(cè)試。探頭的低增益有利于降低測(cè)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(duì)于幅度較低（例如1.0V左右）且輸出阻抗較低（例如毫歐級(jí)）的電源軌噪聲測(cè)量，使用同軸探頭測(cè)試電源軌噪聲是一種性價(jià)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(gè)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(hào)進(jìn)入示波器之前消除直流偏置后再進(jìn)行測(cè)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(hào)的大電壓或電流對(duì)示波器造成的潛在損壞，但此時(shí)需要一個(gè)源端終端匹配來(lái)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(cè)試電源軌噪聲連接示意圖

3使用PicoScope測(cè)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(cè)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(chǔ)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(cè)量圖示噪聲時(shí)，使用了專門(mén)設(shè)計(jì)的測(cè)試夾具和同軸電纜，PicoScope 6424E的設(shè)置為：硬件分辨率12位，測(cè)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(cè)試的另一個(gè)電源軌噪聲波形。AD 2801是一款帶寬為800MHz、測(cè)試范圍為+/- 15V的有源差分探頭。被測(cè)電源信號(hào)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(cè)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(shì)，如靈活/高ADC分辨率（8位~12位硬件可調(diào)）、超深存儲(chǔ)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(jiǎn)單的連接、全面的SDK），而被廣泛用于自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)和研發(fā)過(guò)程中的電源軌噪聲測(cè)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(cè)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(jià)比

與傳統(tǒng)臺(tái)式儀器不同，PicoScope示波器沒(méi)有內(nèi)置PC，故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而可擁有更多獨(dú)特的硬件優(yōu)勢(shì)，包括高帶寬、高采樣率、深存儲(chǔ)、高ADC分辨率、靈活可調(diào)ADC分辨率、多個(gè)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(gè)串行解碼器、高級(jí)數(shù)學(xué)函數(shù)（FFT、濾波函數(shù)、測(cè)量參數(shù)追蹤圖等）。此外，PicoScope示波器擁有數(shù)十種型號(hào)，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(dòng)態(tài)范圍就越大，波形顯示就越清晰，測(cè)量結(jié)果會(huì)更精確。PicoScope示波器的ADC分辨率靈活可調(diào)，這個(gè)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(gè)設(shè)備中通過(guò)協(xié)調(diào)多個(gè)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(kāi)發(fā)包PicoSDK

PicoScope示波器提供了很多傳統(tǒng)臺(tái)式示波器通常不具備的互聯(lián)和定制功能。SDK（軟件開(kāi)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(tái)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(wàn)段的分段存儲(chǔ)，可以設(shè)置高級(jí)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(jiǎn)單容易，您可以在github.com/picotech上找到大量的基于各種編程語(yǔ)言的示例代碼，而且我們也有專門(mén)的支持團(tuán)隊(duì)為用戶自定義開(kāi)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(dòng)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(yǔ)言編寫(xiě)自己的應(yīng)用程序來(lái)控制儀器。

5）緊湊輕便

與往往比較笨重的傳統(tǒng)臺(tái)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(shí)，PicoScope示波器可讓您將整套電子工具與電腦一起裝入一個(gè)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(huì)增加重量或體積。