如何准确地测量芯片的电源噪声

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。

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。

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。
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。

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。
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。