如何准确测量电源噪声

以往电源噪声的幅度规范一般在几十mV，但是随着芯片电源电压的降低，很多芯片的电源噪声的规范已经低至mV的量级，某些对电源噪声敏感的芯片要求甚至到了百uV的量级。

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、模数转换和 射频等等芯片对直流电源的动态负载随着各自时钟频率而发生，还有可能在直流电源上耦合高速瞬态变化和噪声，它们通常包含了GHz以上的频率成分。

▲图2 传统电源和芯片电源对频率范围和噪声幅度要求不同

因此与传统的SMPS电源相比，芯片电源的噪声具有频率高/幅度小等特点，这就使得工程师的测试工作充满了挑战---即如何准确地测试分布在GHz带宽内mV级别的电源噪声。

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，以便后续调整电子产品的PCB布局和布线，减少PDN网络受到的干扰。

示波器本身是有底噪的。当示波器测试电源噪声时，其自身的底噪会叠加在被测的电源噪声上。如果示波器本身的底噪很大，那么会严重影响电源噪声的测试准确度。

▲图4 示波器底噪对电源噪声测试结果的影响

业界最常用的500MHz带宽的无源探头的衰减比为10:1，其会将示波器的底噪放大十倍，导致电源噪声测试的不确定性。 

如果采用传统的衰减比为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通常只有38MHz，无法测到更高频率的电源噪声。同样会导致电源噪声测试的不确定性。 

如左下图，10：1的无源探头测试电源噪声明显偏大；右下图的1：1无源探头测得电源噪声正常，但是高频的毛刺无法显示。

▲图5 探头的衰减比对电源噪声测试的影响

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。

▲图9 FFT分析电源噪声的频谱

R&S推出的MXO5和MXO4系列示波器，带宽最大2GHz，采用了12bit位数的ADC（HD模式下，分辨最低可达18bit），使得示波器的底噪在百uV级别，垂直刻度挡位最小可达0.5mV/div（硬件实现，非放大），使得准确测量GHz带宽内mV级别的电源噪声成为可能。该系列示波器还具有强大的频谱分析功能，帮助工程师快速排查干扰噪声的来源。

▲图10 MXO5示波器（上）和MXO4示波器（下）

Power Rail电源轨探头RT-ZPR20（2GHz） / RT-ZPR40（4GHz）具有优异的性能，专门为电源测试量身打造。

下面介绍利用MXO5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。