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如何准确地测量芯片的电源噪声


品慧电子讯随着5G、车联网等技术的飞速发展,信号的传输速度越来越快,集成电路芯片的供电电压随之越来越小。早期芯片的供电通常是5V和3.3V,而现在高速IC的供电电压已经到了2.5V、1.8V或1.5V,有的芯片的核电压甚至到了1V。芯片的供电电压越小,电压波动的容忍度也变得越苛刻。对于这类供电电压较小的高速芯片的电压测试用电源噪声表示,测求要求从±5%到 ±-1.5%,乃至更低。

1 日益发展的技术对芯片电压测试的挑战

随着5G、车联网等技术的飞速发展,信号的传输速度越来越快,集成电路芯片的供电电压随之越来越小。早期芯片的供电通常是5V和3.3V,而现在高速IC的供电电压已经到了2.5V、1.8V或1.5V,有的芯片的核电压甚至到了1V。芯片的供电电压越小,电压波动的容忍度也变得越苛刻。对于这类供电电压较小的高速芯片的电压测试用电源噪声表示,测求要求从±5%到 ±-1.5%,乃至更低。

如何准确地测量芯片的电源噪声

图1 日益发展的技术对芯片电压测试的挑战

如果芯片的电源噪声没有达到规范要求,就会影响产品的性能,乃至整机可靠性。因此工程师需要准确地测量现代电路产品中的芯片电压的电源噪声。

2 芯片电源噪声的特点

2.1 更小幅度,更高频率

以往电源噪声的要求维持在几十mV的量级,而随着芯片电压的降低,很多芯片的电源噪声已经到了mV的量级,某些电源敏感的芯片要求甚至到了百uV的量级。直流电源上的噪声是数字系统中时钟和数据抖动的主要来源。处理器、内存等芯片对直流电源的动态负载随着各自时钟频率而发生,并可能在直流电源上耦合高速瞬态变化和噪声,它们包含了1 GHz以上的频率成分。

因此与传统的电源相比,芯片电源的噪声具有频率高/幅度小等特点,这就为了工程师准确地测得芯片的电源噪声带来了挑战。

如何准确地测量芯片的电源噪声

表1 传统电源和芯片电源频率和噪声范围

2.2 电源分布网络(PDN)引入的噪声干扰

为了保证电路上各个芯片的供电,电源分布网络(PDN)遍布整个PCB。如果电源分布网络靠近时钟或者数据的PCB走线,那么时钟/数据的变化会耦合到电源分布网络上,也会成为电源噪声的来源。在这种情况下,工程师还需要定位电源噪声的来源,以便后续调整PCB的布局和布线,减少PDN网络受到的干扰。

如何准确地测量芯片的电源噪声

图2 时钟/数据传输线耦合到电源分布网络的干扰

3 影响电源噪声测试准确性的因素

示波器是电源噪声测试的重要仪器。为了能够准确地测量GHz带宽内mV级别的电源噪声,并定位干扰电源分布网络的噪声来源,需要考虑如下因素:示波器的底噪,探头的衰减比,示波器的偏置补偿能力,探头的探接方式,以及示波器的FFT能力等等。

3.1 示波器底噪

示波器本身是有噪声的。当示波器测试电源噪声时,其底噪会附加到被测的电源噪声上,进而影响电源噪声的测试结果。

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图3 示波器底噪对电源噪声测试结果的影响

3.2 探头的衰减比

目前最常用的500MHz带宽的无源探头的衰减比为10:1,其会放大示波器的底噪,影响电源噪声测试的不确定性。

如果用传统的衰减比为1:1的无源探头,可以避免放大示波器的底噪。但是这种探头的带宽一般在38MHz,无法测到更高频率的电源噪声。同样会影响电源噪声测试的不确定性。

所以,为了准确测量电源噪声,需要一款衰减比为1:1,带宽到GHz的探头。

如何准确地测量芯片的电源噪声

图4 探头的衰减比对电源噪声测试的影响

3.3 示波器的偏置补偿能力

电源噪声是叠加在芯片直流电压上的噪声,为此需要将示波器的偏置电压设到与直流电压相等的水平,再测量电源的噪声。例如某芯片的供电电压是3.3V,首先将示波器的偏置电压调到3.3V,然后再测试3.3V直流电源上的噪声波动,但是示波器在该偏置电压的垂直挡位会受限,一般只能到20mV/div,用来测试mV级别的电源噪声,会带来很大的误差。

为了解决类似问题,有的工程师使用隔直电容去除直流,但会导致直流电源压缩和丢失低频漂移信息。如果电容值选取不当,还会影响高频能量。

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图5 示波器的偏置补偿能力受限

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图6 隔直电容影响低频信息

3.4 探头的探接方式

电路形态各异,需要有更灵活的方法来进行信号的探接。探接的稳定性和寄生参数对被测电源电路的影响不可忽视,所以需要尽量贴近芯片的管脚,并使用短地线。

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图7 贴近芯片管脚,使用短地线

3.5 示波器的FFT能力

由于电源分布网络PDN会受到干扰噪声的来源,因此需要示波器具有强大的FFT分析能力,以便分析的干扰噪声的频率,进而排查噪声的源头。

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图8 FFT分析电源噪声的频谱

4 罗德与施瓦茨(R&S)的芯片电源测试方案

为了准确地测量芯片的电源噪声,罗德与施瓦茨公司(R&S公司)提供了示波器主机和Power Rail电源轨探头。

4.1 测试仪器

R&S公司推出的RTO/RTE系列示波器,具有百uV级别底噪,在标称带宽内具有1mV/div的垂直挡位(硬件实现,非放大),并具有强大的具备硬件数字下变频器(DDC)实现的准实时频谱分析功能,可以帮助工程师准确地测量电源噪声,并排查干扰噪声的来源。

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图9 RTO示波器(左)和RTE示波器(右)

Power Rail电源轨探头RT-ZPR20(2GHz) / RT-ZPR40(3.5GHz)具有优异的性能,专门位为电源测试量身打造。

1. 在2GHz/3.5GHz带宽内具备标准化的衰减比,保证能够测试到GHz带宽mV级别的电源噪声;

2. 探头内置+/-60V的偏置能力,提升测试系统的偏置补偿能力;

3. 探头具有50 kΩ 的高直流输入阻抗,可最大程度地降低对待测电源的干扰;

4. 探头内部集成式 16 位数字电压计功能可同步读取每路电源的直流电压数值,并可一键精准设置示波器的偏置电压;

5. 专用的同轴探测线缆可焊接到电源滤波电容的两端,标配的点测附件则便于PCB上不同位置的轻松探测。

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图10 RT-ZPR20/40关键参数

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图11 RTO-ZPR20/40的各种连接方式与带宽

4.2 测试实例

下面介绍利用RTO示波器和 Power Rail电源轨探头RT-ZPR20测试电源噪声,并排查噪声来源的实例。

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图12 一次探接便可从时频和域测试电源噪声

将RT-ZPR20探头连接到测试点后,按照如下操作进行测试

1. RT-ZPR20内置电压计实现高精度DC电压测试,测得电源电压为3.3V;

2. RT-ZPR20的偏置设到3.3V附近,并将示波器两成设到10mV/div;

3. 示波器测得电源噪声波形,从时域波形上发现有明显的干扰噪声;

4. 对电源噪声幅值进行测试与统计;

5. FFT频谱分析,得到干扰噪声的频谱,确定噪声的来源。

5 总结

R&S公司的RTO/RTE系列示波器,配以专门的电源轨探头RT-ZPR20/40,可以准确测量芯片的电源噪声,优异的频谱FFT分析能力还可以快速排查电源噪声,保证产品的可靠性。

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