電源噪聲測量的挑戰及解決之道

探頭的GND和信號的距離過大

在電源噪聲測試時，探頭的GND和信號兩個探測點的距離也非常重要，當兩點相距較遠時，待測試信號(即電源噪聲)的環路較大，由于探測點很靠近高速運行的芯片，近場輻射較大，所以會有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號回路中(如圖4所示)，使得示波器測得的波形包括了其它信號分量，導致錯誤的測試結果。所以要盡量減小探頭的信號與地的探測點間距，減小環路面積。

示波器通道的設置

在電源噪聲測試中，還存在示波器通道輸入阻抗選擇的爭議。示波器的通道有DC50/DC1M/AC1M三個選項可選。一些工程師認為應該使用1M歐的輸入阻抗，另一些認為50歐的輸入阻抗更合適。

在芯片端的電源和地阻抗通常是毫歐級別的，高頻的電源噪聲從同軸電纜傳輸到示波器通道后，當示波器輸入阻抗是50歐時，同軸電纜的特性阻抗50歐與通道的完全匹配，沒有反射;而通道輸入阻抗為1M歐時，相當于是高阻，根據傳輸線理論，電源噪聲發生反射，這樣，導致1M歐輸入阻抗時測試的電源噪聲高于50歐的。在下面的測試中驗證了這一觀點。

我們使用了某1G帶寬的示波器測量某機頂盒內某芯片的電源噪聲，示波器采樣率為2.5GS/s，時基為1ms/div，通道帶寬為1G，通過ERES函數限制帶寬為625MHz，探頭為1倍衰減的傳輸線探頭，示波器通道分別設為DC1M和DC50，記錄測試數據，圖5為DC50加上625M低通濾波器后的電源噪聲測試結果，其平均值為21.573mV。表2為改變通道阻抗和帶寬的4種組合下的電源噪聲以及電源電壓均值。

可以看到， 通道阻抗為1M歐、帶寬為625MHz時，電源噪聲為24.1mV;通道阻抗為50歐、帶寬為625MHz時，電源噪聲為21.573mV;可見，通道阻抗為1M歐時電源噪聲測量結果大于DC50的。 所以，測量電源噪聲是需要選擇DC50，測量電源的直流電壓要選更高阻抗的DC1M。

測試電源噪聲時，示波器的采樣率建議設置為2Gs/s以上以采集到高頻段的噪聲。時基設置為1ms/div以上以捕獲大于10ms的波形。如果捕獲的時間長度不夠，則會導致測量結果偏差較大。開關電源系統通常是AC-DC-DC的變換過程。AC源于電網電壓，是一種源效應，經過閉環控制后仍然很難消除。電網電壓的頻率是50Hz，整流之后是100HZ。電源紋波測量應完整地包含100HZ的低頻周期。

電源噪聲測量的解決之道

考慮到以上幾種影響噪聲測量的因素，HDO4000示波器加上1：1無源傳輸線探頭，通道阻抗設為DC50是目前最好的測量電源噪聲方案。HDO4000為12比特分辨率的高清示波器，能提供更高的分辨率，更小的量化誤差，更靈活的偏置電壓設置、更低的底噪。

如下圖6為HDO4000示波器使用1：1無源探頭測量某機頂盒的電源噪聲測試結果，可以看到，電源電壓為1.27V，其電源噪聲峰峰值不超過18.22mV，統計后的平均值為16.2575mV。在圖5和表格2中，使用普通8位ADC示波器測量相同電源，得到的電源噪聲分別為21.573mV和22.371mV，很可能是由于后者的底噪較大引起的。

同時，使用了示波器獨特的頻譜分析軟件，在頻域中實時觀察電源噪聲的主要來源。從圖中左側的列表中可以看到，噪聲頻譜的第一個峰值頻點為332KHz，應該是板上332KHz的開關電源引入的，該頻點的幅度比其他峰值頻點大20dB，說明它是噪聲的主要來源;另外，還可以看到200MHz的頻點，應該是板上200MHz的時鐘引入的噪聲。

如果使用常規實時示波器測量電源噪聲，當垂直刻度調到5mV/div時，偏置電壓可能在1V以內，無法測量大于1V的電源，通常，在1：1的無源傳輸線探頭中串聯隔直電容，把待測試信號隔直后就可以測量了。這種測試方法的缺點為隔直電容會影響測試結果，選擇不同的電容可能有不同的測試結果，增加了測試的不確定性。

對于低電壓電源的噪聲測試，以下為各種測試方案，排前面的為優選的測試方案。

1，低噪聲12位ADC示波器HDO4000 + 1倍衰減無源傳輸線探頭

2，常規8位ADC示波器 + 1倍衰減無源傳輸線探頭

3，常規8位ADC示波器 + 隔直電容 + 1倍衰減無源傳輸線探頭