06小电压电源噪声的测量Derek.pdfVIP

胡为东系列文章之六 小电压电源噪声的测量 美国力科公司 胡为东 摘要：当今的电子产品，信号速度越来越快，集成电路芯片的供电电压也越来越小，90 年代芯片的供电通常是5V 和3.3V，而现在，高速IC 的供电通常为2.5V, 1.8V 或1.5V 等等， 供电电压越小，对电压的波动要求也就越高。对于这类电压较低的直流电源的电压测试简称 电源噪声测试。影响电源噪声测试精度的有很多因素，但是最主要的因素之一是测试仪器的 精度问题，而测试仪器的精度主要决定于其本身的量化误差，即ADC 的位数，当前几乎所 有的实时数字示波器均是8 位ADC 的，而力科公司最近推出了一款12 位ADC 的高精度实 时示波器，将非常有益于高精度小信号的测试，本文将对电源噪声测试方法和测试精度问题 进行讨论和分析，并简要介绍力科12 位ADC 示波器对电源噪声测量精度的根本改善之道。 关键词： 力科 电源噪声 量化误差 一、影响电源噪声测试结果的主要因素 影响电源噪声测试结果的主要因素有：在电源噪声测试中，通常有如下几个问题导致 测量不准确：  是否需要增加20MHZ 的滤波  示波器的量化误差  使用衰减因子大的探头测量小电压  探头的GND 和信号两个探测点的距离过大 1、是否需要增加20MHZ 的滤波 过去我们在进行电源纹波测试过程中，由于电源导致的噪声频率通常比较低，因此通 常默认需要加20MHZ 的滤波，目的是滤除高于20MHZ 以上的噪声，来验证主要由于电源 因素引起的噪声大小。但是在实际情况下，往往还需要验证在所有频段上电源上的噪声情况 如何，因此我们需要提前弄清楚是否需要增加20MHZ 的滤波。如下图所示为某DDR2/DDR3 对电源纹波的要求： 图1 某DDR2 的手册对电源噪声的要求 图2 某DDR3 的手册对电源噪声的要求 2 、量化误差 示波器存在量化误差，通常实时示波器的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3 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 图3 示波器ADC 的量化误差 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。 另外为了更加精确的测量小电压的电源噪声，可以选择使用具有更高ADC 位数的示波 器，如力科新推出的12 位HRO 系列的示波器。 3、避免使用衰减因子大的探头测量小电压 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。 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