PDN網路雜訊測量

最新 02-10

實在不好意思，由於最近工作比較忙，加上PDN網路也比較複雜，有很多東西我也沒有完全吃透，而且需要為自己的理解提供各種證據及參考，寫起來也比較費時，所以遲遲也沒有更新，希望大家諒解。這裡我跟大家介紹一下PDN網路雜訊的測量方法。

在介紹PDN網路測量之前，我首先要推薦Istvan Novak的一篇文章《What"s the Best Method for Probing a PDN?》。我們這裡也就是按照這篇文章的思路對PDN網路測試方法進行一些展開討論。文章中提到我們在決定如何對PDN雜訊進行時域測量之前，我們需要考慮3個問題：

我們需要測量什麼信號

示波器的選擇

主動式和被動式探頭的選擇

我們現在就這三個問題展開討論。

信號

首先我們來看一下信號。對於信號完整性測試測試來說，信號通常在發送端都有至少幾百mv的信號幅度，信號的速度可能高達幾GHz，甚至是幾十GHz。而PDN雜訊幅度通常比較小。在一些很敏感的低電壓電源上的電源雜訊僅有幾個mV，最多峰峰值也就幾十個mV。這就對測量信號的幅度精度有了更高的要求。

好的一方面是PDN雜訊的信號帶寬卻不需要那麼大，從通常的PDN阻抗曲線中我們可以看到，在第一個諧振頻率點，PDN網路擁有最大的阻抗，而這個諧振頻率點通常在幾十MHz，即使是在一些電流很小的電源上，第一個諧振頻率最多也就幾百MHz。而且經過封裝，PCB等鏈路，相當於經過了一些低通濾波器，最終得到的信號都是相對低頻的成分。所以不管我們是評估晶元上去耦網路設計，還是封裝上PDN去耦網路設計，亦或是單板PDN網路的設計，我們使用示波器測試的大多都是一些相對低頻的雜訊成分。我們測量到的越高頻的PDN雜訊與晶元實際的PDN雜訊差別越大。通常高頻的雜訊會通過測量抖動等方法進行評估，這個留作以後討論。所以通常進行PDN雜訊測量時，我們在示波器上選擇200MHz帶寬即可。

當然如果要測量PDN上的串擾（從一個電源耦合到鄰近電源上的雜訊），或者測量由時鐘信號泄漏到PDN網路上的雜訊時，會更關注雜訊頻率，而且有可能會有一些高頻的雜訊成份，這種情況下一般會使用頻譜分析儀來分析。

示波器

首先需要明確的是，測量PDN雜訊，我們需要使用實時示波器（如果對實時示波器和採樣示波器分類還不太清楚的同學，請參見我之前的文章《示波器介紹》）。因為通常情況下的PDN雜訊是隨機和不相關的，這種場景不適合採樣示波器。對於帶寬來說倒不是特別的重要，有幾百MHz的帶寬足以。

對於示波器最需要關注的就是前端ADC的有效位寬，因為通常的高速示波器的前端ADC的有效位寬都比較小，所以對於PDN雜訊測量，不一定需要很高帶寬的示波器。前端ADC的有效位寬，說直接一點就是示波器測量的垂直精度。比如一些高帶寬的示波器的最高垂直精度為10mv/div，而對於一個1GHz帶寬的示波器來說，垂直精度很容易做到1mv/div或者2mv/div。比如我使用的Teledyne LeCroy SDA6000的垂直精度就是2mv/div。

探頭

對於PDN雜訊測量，示波器選擇其實比較簡單，可選的範圍比較廣，但是對於探頭的選擇就沒有那麼容易了。

根據前面示波器探頭部分的介紹，我們知道如果採用高阻抗探頭，比如10x的示波器探頭，這樣也使得示波器最小解析度增大了10倍。通常晶元的電源紋波只有幾十個mV，而示波器的最小解析度通常也在1-5mV，如果使用10x探頭，會使得最終測試系統的最小解析度變為10mV以上，使得我們的測量精度受到很大的影響。所以採用10x的被動式探頭不是測量電源紋波的可取方案。

當然，你可以選擇1x的被動探頭。但是這種探頭通常會有很長的地線，在探頭部分我們討論過，過長的地線使得測量系統有很大的迴路，相當於一個天線，引入很多測量雜訊。我們可以使用一些coaxial插座來減小地迴路。另外一個問題是，這時探頭的阻抗通常會是1Mohm，示波器也需要設置為1Mohm，過高的收入阻抗也會影響測量精度。

因為PDN網路的阻抗通常比較低，所以我們可以使用50 ohm的同軸線纜coaxial連接到示波器，示波器選擇50 ohm輸入阻抗即可。因為50 ohm的阻抗相對於PDN網路來說也是比較大的，測量不會對電源網路信號產生什麼影響。而且同軸線纜可以有很好的屏蔽以及很小的信號地迴路。

使用同軸電纜有一個問題是偏置電壓可能最終影響測量精度。因為示波器的offset對測量精度會有一些限制。我們通常會使用一個DC-Block（隔直電容）。當然這個隔直電容盡量選擇能夠保留更多低頻信號的隔直電容。通常的隔直電容選擇可以參考如下圖所示。

隔直電容選擇