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朱振刚 日记

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电源噪声的测试  

2012-03-05 22:56:34|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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电源噪声的测试
探头的GND和信号两个探测点的距离过大 
电源噪声的测试 - zhuzhengang666 - 朱振刚的博客
 图一:示波器DC的量化误差示波器存在量化误差,实时示波器的ADC为8位,把模拟信号转化为2的8次方(即256个)量化的级别,当显示的波形只占屏幕很小一部分时,则增大了量化的间隔,减小了精度,准确的测量需要调节示波器的垂直刻度(必要时使用可变增益),尽量让波形占满屏幕,充分利用ADC的垂直动态范围。在图一中蓝色波形信号(C3)的垂直刻度是红色波形(C2)四分之一,对两个波形的上升沿进行放大(F1=ZOOM(C2), F2=ZOOM(C3)),然后对放大的波形作长余辉显示,可以看到,右上部分的波形F1有较多的阶梯(即量化级别),而右下部分波形F2的阶梯较少(即量化级别更少)。如果对C2和C3两个波形测量一些垂直或水平参数,可以发现占满屏幕的信号C2的测量参数统计值的标准偏差小于后者的。说明了前者测量结果的一致性和准确性。

通常测量电源噪声,使用有源或者无源探头,探测某芯片的电源引脚和地引脚,然后示波器设置为长余辉模式,最后用两个水平游标来测量电源噪声的峰峰值。这种方法有一个问题是,常规的无源探头或有源探头,其衰减因子为10,和示波器连接后,垂直刻度的最小档位为20mV,在不使用DSP滤波算法时,探头的本底噪声峰峰值约为30mV。以DDR2的1.8V供电电压为例,如果按5%来算,其允许的电源噪声为90mV,探头的噪声已经接近待测试信号的1/3,所以,用10倍衰减的探头是无法准确测试1.8V/1.5V等小电压。在实际测试1.8V噪声时,垂直刻度通常为5-10mV/div之间。

另外,探头的GND和信号两个探测点的距离也非常重要,当两点相距较远,会有很多

图二:探头上的信号电流回路 EMI噪声辐射到探头的信号回路中(如图二所示),示波器观察的波形包括了其他信号分量,导致错误的测试结果。所以要尽量减小探头的信号与地的探测点间距,减小环路面积。
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图三:力科PP066探头示意图对于小电源的电压测试,我们推荐衰减因子为1的无源传输线探头。使用这类探头时,示波器的最小刻度可达2mV/div,不过其动态范围有限,偏移的可调范围限制在+/-750mV之间,所以,在测量常见的1.5V、1.8V电源时,需要隔直电路(DC-Block)后再输入到示波器。 

如图三为力科PP066探头,该探头的地与信号的间距可调节,探头的地针可弹性收缩,操作起来非常方便。通过同轴电缆加隔直模块后连接到示波器通道上。

也可以把同轴电缆剥开,直接把电缆的信号和地焊接到待测试电源的电源和地上。在图四中把SMA接头的同轴电缆的一段剥开,焊接到了电脑主板的DDR2供电的1.8V上面,测量其电源噪声。
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图四:测量某电脑主板DDR2的1.8V的电源噪声

在准确测量到电源噪声的波形后,可以计算出噪声的峰峰值,如果电源噪声过大,则需要分析噪声来自哪些频率,这时,需要对电源噪声的波形进行FFT,转化为频谱进行分析。FFT中信号时间的长度决定了FFT后的频谱分辨率,在力科示波器中,支持业界最大的128M个点的FFT,能准确定位电源噪声来自于哪些频率(其频谱分辨率是同类仪器的40倍以上)。
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图五:测量某3.3V的电源噪

如图五所示为某光模块的3.3V电源的噪声。其噪声的频谱最高点的频率为311.6KHz。这个光模块输出的1.25Gbps光信号的抖动测试中发现了同样的312KHz的周期性抖动。在图六中可以看到,把1.25G串行信号的周期性抖动分解后(Pj breakdown菜单),发现312KHz的周期性抖动为63.7皮秒,在眼图中也明显可以观察到抖动。通过这个案例说明,电源噪声很可能导致一些高速信号的眼图和抖动变差。对电源噪声进行频谱分析,能有效定位噪声的来源,指引调试的方向。

在使用示波器测量电源噪声时,为了保证测量精度,需要选择足够的采样率和采集时间。

推荐采样率在500MSa/s以上,这样奈科斯特频率为250M,可以测量到250MHz以下的电源噪声,对于目前最普及的板级电源完整性分析,250M的带宽已足够。低于这个频率的噪声可以使用陶瓷电容、PCB上紧耦合的电源和地平面来滤波。而高于这个频率的只能在封装和芯片级的去耦措施来完成了。

波形的采集时间越长,则转化为频谱后的频谱分辨率(即delta f)越小。通常我们的开关电源工作在10KHz以上,如果频谱分辨率要达到100Hz的话,至少需要采集10ms长的波形,在500MSa/s采样率时,示波器需要500MSa/s * 10 ms = 5M pts的存储深度。

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