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 好，首先，我先介绍一下Teledyne LeCroy公司

Teledyne集团简介 力科公司隶属于美国Teledyne集团， 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公司包含多个子公司，业务领域涵盖测量和分析仪器，海洋能源及全球基础设施、机器视觉、成像及工厂自动化、军事指挥自动化及飞机信息管理等众多领域。产品应用之广，可以用公司LOGO上的这句话来描述：Everywhere you look . 我列举几个Teledyne产品的应用。2012年8月，好奇号探测器在火星登陆，好奇号漫游车上用于提供核动力的放射性同位素热电机，用于下降和着陆装置的射频模块，以及摄像头上的图像传感器是由teledyne公司制造。哈勃太空望远镜上的红外热像仪由teledyne公司制造， 再比如国内百分之八九十的民航客机上安装的飞行数据管理系统是由teledyne公司制造，国内很多电子设备制造工厂，比如制造IPHONE手机的生产线，其用于产品检验的机器视觉系统也是teledyne公司的产品，当然还有今天我们的主题：示波器，各种电子设备研发都必须具备的仪器 。所以说，大家享受到的越来越多的高科技产品与服务，都有teledyne公司的身影.

Teledyne LeCroy公司概况 力科公司作为Teledyne集团旗下第二大子公司，专注于电子测量仪器的研发和制造，特别是在数字示波器领域，一直保持着惊人的创新能力，持续为工程师们创造“最能解决问题”的示波器。 当今数字示波器中的不少耳熟能详的“术语”都是力科最先发明或引入到示波器领域的。当前幻灯片的右侧列举了几种主流示波器、网络分析仪，信号源，误码率分析仪等产品。

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 最常见的问题是，为什么示波器测量的直流电压值没有万用表准确? 首先, 我们不得不承认的是,比万用表贵得多的高端示波器在测量直流电压方面没有万用表准确。 了解示波器计量的朋友可能知道，示波器的DC精度其实就是通过万用表计量的。具体过程是将标准的直流电源输出，通过功分器一分为二，通过等长的电缆同时输出到万用表和示波器，示波器上显示出的平均值测量参数和万用表比较。 示波器显示出来的这个直流电压是随时间变化的很多的采样点,最终是将这些采样的点的平均值和万用表显示出的读数相比较。 所以您在图片上看到0V DC信号的局部放大是由随着时间变化的很多的采样点。 万用表是作为直流电压的可溯源的计量工具，而示波器是工程师的眼睛，是一种调试工具,是工程师用来洞察电路行为的工具。 工程师遇到的问题不会总是直流信号。当遇到变化的波形的时候，示波器的威力就显示出来了。 但我们不妨先来追究一下示波器测量DC信号的误差来源是什么。

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 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 采集 存储器 放大器 模数转换器 数据处理 显示 我们先来看一个简化的数字示波器结构框图。待测信号输入到示波器的一个通道后，先经过放大器等信号调理电路，由模数转换器转化为波形数据，并存入高速采集存储器。这些数据经过示波器处理后显示在屏幕上

背景知识-示波器采集框图 采样率 垂直分辨率 存储 深度 测量与分析 带宽 采集 存储器 放大器 模数转换器 数据处理 显示 这条信号采集链路上涉及了示波器最重要的功能和性能。信号调理电路中的放大器决定了示波器的带宽，模数转换器决定了采样率和垂直分辨率，采集存储器决定了存储深度，数据处理能力决定了示波器能实现什么样的测量和分析功能。 现代数字示波器也主要是在这几个方面发展。我们来看一下当前示波器的发展水平

力科示波器主要指标的发展 截至2012年，实时示波器带宽已达到65GHZ，采样率实现160GS/s，通道数可达80个，ADC位数达到12bit 借助于teledyne公司的磷化铟工艺，力科公司已经实现100GHz带宽的实验样机。

电源分布网络PDN（Power Distribution Network)的概念 • 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 the power distribution operates at a higher frequency as the proximity to the active devices decreases because of the parasitic inductance and resistance of the interconnections between the active circuitry and the various elements of the PDN. These parasitic effects are explained in the next section.

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。

测量电源噪声所需带宽 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。

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。 进一步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 底噪峰峰值大于25mV，无法 准确测试小电压（小于3.3v）纹波 通道1： 500M无源探头，10倍衰减

避免用无源探头，推荐电缆+探针 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

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。 Teledyne LeCroy HDO4000偏置电压范围 其他品牌示波器的偏置电压范围

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

16x 16x 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 HRO 6 Zi 8-bit ADC to 12-bit ADC LeCroy HDO4000/6000 8-bit ADC to 12-bit ADC 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 16x What does resolution mean for oscilloscopes? It means exactly the same thing as the consumer product we just discussed; it give the oscilloscope the ability to display and measure signals with much finer detail. 分辨率对示波器意味着什么？ 1) (16x) However, the difference is that the advancement from 8-bit oscilloscopes to 12-bit oscilloscopes represent 16 times more resolution than typical 8-bit instruments! LeCroy’s HRO 6Zi is currently the only high end 12-bit oscilloscope in the world.

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 To understand why 12-bit oscilloscopes represent 16 times more resolution than 8-bit oscilloscope you must first understand how oscilloscope resolution works. The output levels that the ADC has are called quantization levels. The number of output levels is equal to 2 to the Nth power where N is equal to the number of bits in the ADC. This means that an 8-bit ADC has 256 output levels while a 12-bit ADC has 4096 output levels. One way to think about this is to imagine trying to draw a waveform on graph paper with very large boxes. If you had to stay right on the boxes you would not be able to draw the signal as precisely as you wanted. However, if you were to try to draw the same waveform on graph paper with smaller boxes, you could more precisely draw it.

HD4096 高精度技术 高精确度的保证： 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 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 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% 真正使HDO与众不同的特点是它极优秀的信噪比表现。 SNR = 35-40 dB SNR = 55 dB Slide is self explanatory – no script

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 12-bit HDO 8-bit Oscilloscope

HD4096 –更加“干净”，“清晰”的显示 12-Bit HDO 8-Bit Oscilloscope

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 那么我们来看看示波器到底能为工程师做些什么。示波器，顾名思义，显示信号波形的仪器，如今的数字示波器早已不局限于显示波形的功能，它更多的用处是对信号进行测量和分析，帮助工程师评估电子产品的质量，查找问题根源。

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 除了示波器主要硬件指标的发展，示波器的测量和分析功能也是越来越丰富。 做个类比，示波器硬件性能的提升，好比手机在近十年中从2G发展到3G,4G， 示波器测量和分析功能好比智能手机的应用程序，越来越多，满足各种应用需求。 力科示波器能实现100多种自动参数测量功能，80多种波形运算功能，以及针对各种信号标准的测试方案。我列举几个主流的测量和分析功能。

自动参数测量功能 用示波器测量波形的特征参数是示波器的主要应用，例如测量信号的幅度，频率，周期，上升沿等等，示波器能够自动完成这类参数的测试，并能对测量结果进行统计分析。力科示波器有100多种测量参数。除了一些常见的参数外，力科示波器还能自动测量一些特殊的波形参数。

自动参数测量功能 测量时间间隔 例如需要测试这样一个振荡信号起止和结束的时间，信号波形在开始振荡和结束振荡时都有些不规则的波动，一般示波器无法自动测量这样的参数，需要人用游标去定位测量。通过适当的设置，力科示波器可以完成这类不规则参数的自动测量

波形运算功能 测量是对信号本身特征参数的提取，运算是对波形进行变换。力科示波器有80多种运算功能，从简单的加减乘除，到复杂的积分，互相关运算，滤波等等。这些运算还能组合起来使用，当前幻灯片显示是，在示波器中用图形化编程的方式将各种运算函数组合起来使用，这个类似simulink或者LABVIEW的图形化编程，方便快速搭建信号波形的处理流程。

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 除了通用的参数测量和波形运算以外，力科示波器的另一个主要的分析功能是针对高速串行数据的分析。 在计算机、通信领域，越来越多的数据是以高速串行的方式传输，评估这类信号质量的最常用方法是用示波器测量信号的眼图和抖动。 力科示波器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/RS429 SPI/I2C/I2S CAN FlexRay LIN USB PCI Express Fibre Channel 8B/10B,64B/66B,曼彻斯特编码 10M/100M/10G以太网 MIL-STD-1553 ARINC 429 DigRF D-PHY 力科示波器能将一些常用串行信号的波形译码为方便识别的二进制、十六进制或ASCII码，并用不同颜色区分地址、数据、校验等协议；还可以根据总线的数据内容进行触发，捕获代表该数据内容的信号波形。没有这样的分析功能，工程师只能人工识别这些波形代表的含义。 力科示波器支持的数据标准如幻灯片所示，涉及嵌入系统，汽车电子，工业控制，航空，移动终端，计算机和通信等多种数据标准。

数据标准一致性测试 计算机和通信行业存在很多数据标准，标准组织为了使不同厂家生产的产品能够相互兼容，规定一系列标准一致性测试要求，力科示波器能够安装针对这些标准的测量分析软件，验证产品是否符合标准要求。

电源测量和分析 力科示波器还有针对电源的测量和分析功能，它能够自动测量开关器件的通道损耗，关断损耗，分析器件的安全工作区，分析PWM调制，也能够分析线性电源的功率品质，电流谐波

电源测量和分析软件 现场展示

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