电源噪声与纹波测量问题 探讨

议程 Teledyne LeCroy 简介 为什么需要测量电源纹波和电源噪声 电源纹波 / 噪声测量对示波器带宽要求的讨论 示波器量程和偏置等设置对测量电源波波 / 噪声的影响 HD4096 技术在电源纹波 / 噪声测量上的应用价值 示波器测量和分析功能展示

Teledyne LeCroy 简介

Teledyne 集团简介力科公司隶属于美国 Teledyne 集团，

Teledyne 于 1960 年成立，总部设立在美国加州洛杉矶地区。公司成立以来，通过不断并购重组，日益发展壮大。目前，全球有 9000 多名员工，在纽约证交所上市。 2011 年公司的全球营业额 19.4 亿美元。现任总裁马瑞宾博士是一位材料科学家，曾就任卡内基 · 梅隆大学校长

Teledyne 集团业务范围 测量和分析仪器 海洋能源 & 全球基础设施 机器视觉、成像及工厂自动化 军事指挥自动化 飞机信息管理

Teledyne LeCroy 公司概况

为什么需要测量电源纹波和噪声

为什么电源纹波 / 噪声测量成为近些年来持续最热门的话题？ 电源纹波是指叠加在直流信号上的交流干扰信号，是电源测试中的一个很重要的指标。 90 年代： 5v ， 3.3v 当今高速 IC ： 2.5v ， 1.8v ， 1.5v ， 1.2v 通常的纹波要求是 +/-5% ，有的甚至要求 +/-2.5% 。 对于这类相对大信号中的小信号的测试即称为电源纹波测试。 如 , 对于 Xilinx Kintex™-7 和 Virtex®-7 FPGAs, 要求电源供电在

10KHz 到 80MHz 范围内电压变化峰峰值不超过 10 mV

小电压大电流供电之后电源的可靠供电越来越成为挑战

Intel DDR2 芯片手册中对电源纹波的要求20MHZ带宽限制

SAMSUNG DDR3 芯片手册中对电源纹波的要求NO 20MHZ带宽限制

电源噪声的成因 电源纹波。 稳压电源芯片本身的输出并不是恒定的，会有一定的波纹 瞬态交变电流。稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化 电流回路上的电感。负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗上产生的压降

从表现形式上分为 :

同步开关噪声地弹非理想阻抗影响谐振及边缘效应

电源噪声（ Power Noise) 和电源纹波 (Power Ripple) 的区别 没有协会定义什么是电源纹波 , 什么是电源噪声 我们将电源纹波理解为电源模块包括前面提到的 VRM 的输出电压的波动 ,和复杂的供电网络无关，或者说是电源输出的源端（ Source端 ) 的电压的波动，电源噪声则是指电源模块工作在实际产品系统中，经过供电分布网络将电源能量输送到芯片管脚处，在芯片管脚处的电压的波动，或者简单说是电源输出的末端 (Sink端 ) 的电压的波动。 电压的波动在源端叫纹波（ Ripple) ，在末端叫噪声（ Noise) 。 电压在波动，那么基准的电压大小是多少 ? 如何测量？ 这个电压的平均值测量的黄金标准是万用表？ 电源电压的波形形状的黄金标准是什么 ? 从电压波形来测量出电压的平均值的精度如何保证 ?

对于 DC 信号，万用表测量和示波器测量的区别 万用表测量出 1 个参数值

示波器显示出随时间变化的很多采样点

示波器 DC增益精度指标

DC增益精度计量方法

测量直流电压波形本身的黄金标准 -HDO

干净清洁的信号不等于滤波处理的信号ADC

实际采样点

分组平均后的样点

本例为4个样点1组

8-bit ADC示波器8-bit ADC示波器

（分组平均提升到12bit分辨率) 12-bit ADC示波器

Hypersampled ADCs and Linear Noise Reduction

电源纹波与噪声测量对示波器带宽要求

背景知识 - 示波器采集框图

放大器 模数转换器 采集存储器 数据处理 显示

背景知识 - 示波器采集框图

放大器 模数转换器 采集存储器 数据处理 显示带宽 采样率垂直分辨率 存储深度 测量与分析

力科示波器主要指标的发展

电源分布网络 PDN （ Power Distribution Network) 的概念

典型的 PDN 包括：• Voltage Regulator Modulation （ VRM）• Board-level power distribution with planes, low-frequency decoupling capacitors• Package level power distribution with planes and mid-frequency decoupling capacitors• Chip-level power distribution with thin-oxide decoupling capacitors

PDN 要求 :• Must deliver clean power to the ICs• Must provide low impedance, low noise reference path for signals• Must not contribute excessive EMI

示波器测量电源纹波 / 噪声只能是测量 Board Level ？

测量电源噪声所需带宽电源噪声的来源大致的分为两种，一种是开关电源本身会输出一定的纹波，另一种是由于动 态电流的波动造成。 对于单纯的供电系统，一般 20M足够了。对于数字电路中的电源需要考虑动态 电流引入的噪声，具体的分析如下：为了方便计算， PI 设计一般采用目标阻抗法来进行设计，下面这个公式可以帮助理解。

Ztarget=Vnoise/Idynamic Ztarget ：目标阻抗（频域） Vnoise ：电源噪声（频域） Idynamic ：动态电流（频域） 电源噪声求解是将时域的动态电流转化到频域 FFT （ Id），与阻抗（频域）卷积得到频域的电源噪声，在转换为时域的 Vn 。 Vn=IFFT （ FFT （ Id） *Zs） Vn ：电源噪声（时域） Id ：动态电流（时域） Zs ：电源网络阻抗（频域） 抑制电源噪声的元件包含： VRM 、 bulk 电容（也称全局去耦电容）、本地去耦电容（一般为陶瓷电容）、 PCB平面对、器件内部去耦等。

下面是 PCB 上的去耦元件作用示意图： VRM 负责 DC~100KHz左右，去耦电容负责数十 KHz~100MHz左右，再往上的频段由器件负责。

测量电源噪声所需带宽

下图是简单仿真了一个电源网络的阻抗曲线，可以看到由于 BGA bonding 的等效电感作用，在 200MHz 以后很高的阻抗，此时 PCB 上的去耦措施已无法起到作用了。现在多数高端器件在器件内部都有非常好的去耦措施，可以覆盖到几十兆甚至几兆频率。

我们做电源噪声测量是针对PCB 上的设计目标而来，更高频率的测量会将额外的噪声当作电源噪声的一部分，并无必要且会增加电路调试的工作量。

测量电源噪声所需带宽

Eric Bogatin 对测量电源噪声所需带宽的理解The noise on the board level PDN can have frequency components as high as

the bandwidth of the signals. This is from signals passing through the power and ground planes of the board. So, the noise bandwidth can be very high- maybe 5 GHz for a 1 GHz clock. The noise on the power rail on the chip, as seen on the board, is much lower- probably less than 500 MHz. It is filtered by the package lead inductance and doesn’t get on the board very much. The HDO scope with a 1 GHz bandwidth is plenty adequate to see this noise. The HDO scope is excellent at PDN noise measurement and analysis. It probably will not see any noise that might be present on the board at > 1 GHz bandwidth. If the signal paths are designed well, the noise in the power and ground plane cavities should be low at these higher bandwidths.

Eric Bogatin 对测量电源噪声所需带宽的理解For PDN noise, the 2.5 GS/s is probably just fine. For the plane noise,

higher BW is needed to see the noise generated as signals pass through vias through the planes.It is very difficult to evaluate the filtering from the package lead inductance. You need to know the package lead inductance and the on-die capacitance. If you have a simple guess for these values you can simulate the filtering using SPICE. Doing the actual on-die measurements of the noise requires a specially designed chip.

示波器量程和偏置等设置对测量电源波波 / 噪声的影响

调节垂直刻度显示通道的垂直设置明显地影响噪声信号的测量结果。在 550 mV/div,平均噪声只有 821mV; 在 2V/div, 测量出来的结果为 1.02 V, 在10V/div, 噪声电平显示为 3.06V. 在 2 V/div 和 10 V/div 之间 , 量程变化 5倍 , 对应的测量结果有 3倍的变化！ 因此，这给我们的经验是我们常说的捕获信号的第一原则 : 最小化量化误差。

5mv/div VS 500mv/div

使用无源探头测量

通道 1 ： 500M 无源探头， 10倍衰减

底噪峰峰值大于 25mV ，无法准确测试小电压（小于 3.3v ）纹波

使用衰减因子过大的探头也会导致无法将示波器垂直灵敏度设置到最小，从而会带来更大 的量化误差 如果使用常规的无源探头或有源探头，由于衰减因素为 10:1 ，所以最小档位只能到 10mV/div或20mv/div

在 20mV档位时，底噪通常大于 30mV ，无法准确测试 1.8/2.5 等电压在 20mV档位时，探头的 offset 电压可调节范围很小 , 如果使用直流耦合，可能测量不到某些电压

避免用无源探头，推荐电缆 + 探针

使用 1:1 传输线探头测量 1.8V 电源

20M 低通滤波后的电源噪声峰峰值为 6.7mV

示波器设置为 DC 耦合还是 AC 耦合？

示波器设置为 DC 耦合还是 AC 耦合？设置 AC耦合的唯一原因是在 DC耦合情况下，在量程只有 2mv/div 甚至更小时，有些示波器的偏置电压范围不够。

其他品牌示波器的偏置电压范围

Teledyne LeCroy HDO4000 偏置电压范围

AC 1M 欧 or DC 50 欧 + 隔直电容？ 在芯片端的电源和地阻抗通常是毫欧级别的，高频的电源噪声从同轴电缆传输到示波器通道后，当示波器输入阻抗是 50欧时，同轴电缆的特性阻抗 50欧与通道的完全匹配，没有反射；而通道输入阻抗为 1M欧时，相当于是高阻，根据传输线理论，电源噪声发生反射，这样，导致 1M欧输入阻抗时测试的电源噪声高于 50欧的。

多大的隔直电容是合适的 ?

隔直电容与示波器的 50欧电阻组成的电路是一个带通滤波器，在低频时，可忽略电容的等效串联电感 ESL ，隔直电容与示波器通道的 50欧电阻组成RC 电路，其低频的 3dB截至频率为 ，随着频率升高，电容的 ESL 以及探头中的寄生电感的影响越来越大，电感的感抗随着频率增加而增大，其高频的3dB截至频率跟探头和电容的寄生电感相关。

多大的隔直电容是合适的 ? 我们使用 SPICE软件来仿真三种不同隔直电容时的频响曲线。黄色、红色、灰色依次为100uf 、 1uf 、 10nf 电容时电路的频响曲线，容值越大，电路低频截至频率越低，图 4 中 3 个marker 为 3根曲线的 3dB低频截至频率点。可见， 100uf 的低频截至频率为 31.7Hz ， 1uf 电容的低频截至频率为3.17KHz ， 10nf 电容的低频截至频率约为 318KHz 。如果没有仿真软件，也可以通过公式直接计算。100uf 电容的低频截至频率，与仿真结果完全一致。建议使用 1uf 以上的隔直电容。

HD4096 技术在电源纹波 / 噪声测量上的应用价值

ADC 分辨率除了带宽 ,采样率以及记录长度以外 , 示波器还有一个“分辨率”的指标

示波器分辨率的基础是示波器采集系统中所使用的 ADC 的分辨率

典型的示波器使用 8 位 ADC 来数字化所输入的信号

示波器的分辨率 示波器的位数表征了示波器的信号分辨率 高分辨率意味着示波器能够更精细的显示信号细节，进行更加精确的测量

LeCroy 高分辨率示波器是采用了12bit ADC 的下一代示波器，是传统 8bit 示波器信号分辨能力的 16倍 16x

LeCroy HDO4000/6000

8-bit ADC to

12-bit ADC

16x

LeCroy HRO 6 Zi

8-bit ADC to

12-bit ADC

示波器的分辨率是什么？ ADC 的量化等级 = 2 N bits of Resolution

量化等级– 12-bit 示波器是传统 8-bit 示波器量化等级的 16倍

ADC 分辨率 量化等级 动态范围8 256 ~48 dB

12 4096 ~72 dB

HD4096 高精度技术 高精确度的保证：

高采样率 12-bit ADCs 高信噪比（ Signal to Noise Ratio）前端输入放大器 更低底噪的系统架构

较目前示波器市场的 8bit 示波器高出 16倍以上的分辨精度 1GHz 带宽捕获高频信号 HD 的优势在于

更加“干净”，“清晰”的波形显示 用于观察更多信号细节 更加精准的波形测量

HDO 优势 – 更“干净”，更“漂亮”的波形 极低的底噪前端架构使得HDO 能够显示更加“干净漂亮”的波形 12 bits 能够达到信噪比 55 dB – “WOW！！！” 典型 8-bit 示波器信噪比范围大致是 35-40dB HDO 示波器的 DC 增益精度为 +/- 0.5% ， 8 位示波器一般为 +/- 1.5 – 2.0%

SNR = 55 dB

SNR = 35-40 dB真正使 HDO 与众不同的特点是它极优秀的信噪比表现。

HD4096 –更加“干净”，“清晰”的显示

8-bit Oscilloscope

12-bit HDO

HD4096 –更加“干净”，“清晰”的显示

12-bit HDO

8-bit Oscilloscope

HD4096 –更加“干净”，“清晰”的显示

8-Bit Oscilloscope

12-Bit HDO

HD4096 – 看到更多的信号细节 下图所示为开关电源测试应用中的 MOSFET 信号 用户需要看到 VDS饱和压降 8-bit 示波器看到的饱和压降信号细节全部被噪声淹没掉了 12-bit HDO 看到的压降信号清晰得反映了细节

8-Bit

12-Bit HDO

示波器测量与分析功能简介

力科示波器测量与分析能力100 多种自动参数测量功能80 多种运算功能高速串行数据分析串行数据协议分析（ I2C,SPI,UART,CAN,USB,PCIe…)数据标准一致性测试（ DDR,USB,Ethernet,PCIe,HDMI…)时钟抖动分析开关电源和线性电源分析磁盘数据分析

自动参数测量功能

自动参数测量功能测量时间间隔

波形运算功能

高速串行数据分析眼图和抖动测量是衡量高速信号质量的最常用方法力科是业界最先采用软件恢复时种的方法来形成眼图的，而现在这种方法已成为眼图测量的行业标准

串行数据解码与触发

UART/RS232/RS429SPI/I2C/I2SCANFlexRayLIN

MIL-STD-1553ARINC 429

USBPCI ExpressFibre Channel8B/10B,64B/66B,曼彻斯特编码10M/100M/10G 以太网

DigRFD-PHY

数据标准一致性测试

电源测量和分析

电源测量和分析软件 现场展示

欢迎到现场观看演示