如何准确地测量芯片的电源噪声

1 日益发展的技术对芯片电压测试的挑战

随着5G、车联 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

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。

图2 传统电源和芯片电源频率和噪声范围

2.2 电源分布 络（PDN）引入的噪声干扰

图3 时钟/数据传输线耦合到电源分布 络的干扰

3 影响电源噪声测试准确性的因素

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4 时钟/数据传输线耦合到电源分布 络的干扰

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5 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。

图6 示波器的偏置补偿能力受限 图6 隔直电容影响低频信息

3.4 探头的探接方式

电路形态各异，需要有更灵活的方法来进行信号的探接。探接的稳定性和寄生参数对被测电源电路的影响不可忽视，所以需要尽量贴近芯片的管脚，并使用短地线。

图7 贴近芯片管脚，使用短地线

3.5 示波器的FFT能力

图8 FFT分析电源噪声的频谱

4 罗德与施瓦茨（R&S）的芯片电源测试方案

为了准确地测量芯片的电源噪声，罗德与施瓦茨公司（R&S公司）提供了示波器主机和Power Rail电源轨探头。

4.1 测试仪器

图9 RTO示波器（上）和RTE示波器（下）

Power Rail电源轨探头RT-ZPR20（2GHz） / RT-ZPR40（3.5GHz）具有优异的性能，专门位为电源测试量身打造。

1. 在2GHz/3.5GHz带宽内具备1：1的衰减比，保证能够测试到GHz带宽mV级别的电源噪声；
2. 探头内置+/-60V的偏置能力，提升测试系统的偏置补偿能力；
3. 探头具有50 kΩ 的高直流输入阻抗，可最大程度地降低对待测电源的干扰；
4. 探头内部集成式 16 位数字电压计功能可同步读取每路电源的直流电压数值，并可一键精准设置示波器的偏置电压；
5. 专用的同轴探测线缆可焊接到电源滤波电容的两端，标配的点测附件则便于PCB上不同位置的轻松探测。

图10 RT-ZPR20/40关键参数

图11 RTO-ZPR20/40的各种连接方式与带宽

4.2 测试实例

图12 一次探接便可从时频和域测试电源噪声

将RT-ZPR20探头连接到测试点后，按照如下操作进行测试

1. RT-ZPR20内置电压计实现高精度DC电压测试，测得电源电压为3.3V；
2. RT-ZPR20的偏置设到3.3V附近，并将示波器两成设到10mV/div；
3. 示波器测得电源噪声波形，从时域波形上发现有明显的干扰噪声；
4. 对电源噪声幅值进行测试与统计；

5 总结

R&S公司的RTO/RTE系列示波器，配以专门的电源轨探头RT-ZPR20/40，可以准确测量芯片的电源噪声，优异的频谱FFT分析能力还可以快速排查电源噪声，保证产品的可靠性。