1 日益發展的技術對芯片電壓測試的挑戰

 

隨著5G

、車聯網等技術的飛速發展，信號的傳輸速度越來越快，集成電路芯片的供電電壓隨之越來越小。早期芯片的供電通常是5V和3.3V，而現在高速IC的供電電壓已經到了2.5V、1.8V或1.5V，有的芯片的核電壓甚至到了1V。芯片的供電電壓越小，電壓波動的容忍度也變得越苛刻。對於這類供電電壓較小的高速芯片的電壓測試用電源噪聲表示，測求要求從±5%到 ±-1.5%，乃至更低。

 

圖1 日益發展的技術對芯片電壓測試的挑戰

 

如(ru)果(guo)芯(xin)片(pian)的(de)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)沒(mei)有(you)達(da)到(dao)規(gui)範(fan)要(yao)求(qiu)
，就(jiu)會(hui)影(ying)響(xiang)產(chan)品(pin)的(de)性(xing)能(neng)，乃(nai)至(zhi)整(zheng)機(ji)可(ke)靠(kao)性(xing)。因(yin)此(ci)工(gong)程(cheng)師(shi)需(xu)要(yao)準(zhun)確(que)地(di)測(ce)量(liang)現(xian)代(dai)電(dian)路(lu)產(chan)品(pin)中(zhong)的(de)芯(xin)片(pian)電(dian)壓(ya)的(de)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)。

 

2 芯片電源噪聲的特點

 

2.1 更小幅度，更高頻率

 

以往電源噪聲的要求維持在幾十mV的量級，而隨著芯片電壓的降低，很多芯片的電源噪聲已經到了mV的量級，某些電源敏感的芯片要求甚至到了百uV的量級。直流電源上的噪聲是數字係統中時鍾和數據抖動的主要來源。處理器
、內存等芯片對直流電源的動態負載隨著各自時鍾頻率而發生，並可能在直流電源上耦合高速瞬態變化和噪聲，它們包含了1 GHz以上的頻率成分。

 

因此與傳統的電源相比
，芯片電源的噪聲具有頻率高/幅度小等特點，這就為了工程師準確地測得芯片的電源噪聲帶來了挑戰。

 

表1 傳統電源和芯片電源頻率和噪聲範圍

 

2.2 電源分布網絡（PDN）引入的噪聲幹擾

 

為了保證電路上各個芯片的供電
，電源分布網絡（PDN）遍布整個PCB。如果電源分布網絡靠近時鍾或者數據的PCB走線，那麼時鍾/數據的變化會耦合到電源分布網絡上，也會成為電源噪聲的來源。在這種情況下，工程師還需要定位電源噪聲的來源，以便後續調整PCB的布局和布線，減少PDN網絡受到的幹擾。

 

圖2 時鍾/數據傳輸線耦合到電源分布網絡的幹擾

 

3 影響電源噪聲測試準確性的因素

 

示波器是電源噪聲測試的重要儀器。為了能夠準確地測量GHz帶寬內mV級別的電源噪聲
，並定位幹擾電源分布網絡的噪聲來源，需要考慮如下因素：示波器的底噪，探頭的衰減比，示波器的偏置補償能力
，探頭的探接方式，以及示波器的FFT能力等等。      

     

3.1 示波器底噪

 

示波器本身是有噪聲的。當示波器測試電源噪聲時，其底噪會附加到被測的電源噪聲上，進而影響電源噪聲的測試結果。

 

圖3 示波器底噪對電源噪聲測試結果的影響

 

3.2 探頭的衰減比

 

目前最常用的500MHz帶寬的無源探頭的衰減比為10:1，其會放大示波器的底噪，影響電源噪聲測試的不確定性。

 

如果用傳統的衰減比為1:1的無源探頭，可以避免放大示波器的底噪。但是這種探頭的帶寬一般在38MHz，無法測到更高頻率的電源噪聲。同樣會影響電源噪聲測試的不確定性。

 

所以
，為了準確測量電源噪聲，需要一款衰減比為1:1，帶寬到GHz的探頭。

 

圖4 探頭的衰減比對電源噪聲測試的影響

 

3.3 示波器的偏置補償能力

 

電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)是(shi)疊(die)加(jia)在(zai)芯(xin)片(pian)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)上(shang)的(de)噪(zao)聲(sheng)，為(wei)此(ci)需(xu)要(yao)將(jiang)示(shi)波(bo)器(qi)的(de)偏(pian)置(zhi)電(dian)壓(ya)設(she)到(dao)與(yu)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)相(xiang)等(deng)的(de)水(shui)平(ping)，再(zai)測(ce)量(liang)電(dian)源(yuan)的(de)噪(zao)聲(sheng)。例(li)如(ru)某(mou)芯(xin)片(pian)的(de)供(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)是(shi)3.3V，首先將示波器的偏置電壓調到3.3V，然後再測試3.3V直流電源上的噪聲波動
，但是示波器在該偏置電壓的垂直擋位會受限，一般隻能到20mV/div
，用來測試mV級別的電源噪聲，會帶來很大的誤差。

 

為(wei)了(le)解(jie)決(jue)類(lei)似(si)問(wen)題(ti)，有(you)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)使(shi)用(yong)隔(ge)直(zhi)電(dian)容(rong)去(qu)除(chu)直(zhi)流(liu)
，但(dan)會(hui)導(dao)致(zhi)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)壓(ya)縮(suo)和(he)丟(diu)失(shi)低(di)頻(pin)漂(piao)移(yi)信(xin)息(xi)。如(ru)果(guo)電(dian)容(rong)值(zhi)選(xuan)取(qu)不(bu)當(dang)
，還(hai)會(hui)影(ying)響(xiang)高(gao)頻(pin)能(neng)量(liang)。

 

圖5 示波器的偏置補償能力受限

 

圖6 隔直電容影響低頻信息

 

3.4 探頭的探接方式

 

電dian路lu形xing態tai各ge異yi，需xu要yao有you更geng靈ling活huo的de方fang法fa來lai進jin行xing信xin號hao的de探tan接jie。探tan接jie的de穩wen定ding性xing和he寄ji生sheng參can數shu對dui被bei測ce電dian源yuan電dian路lu的de影ying響xiang不bu可ke忽hu視shi
，所suo以yi需xu要yao盡jin量liang貼tie近jin芯xin片pian的de管guan腳jiao，並bing使shi用yong短duan地di線xian。

           

圖7 貼近芯片管腳，使用短地線

 

3.5 示波器的FFT能力

 

由於電源分布網絡PDN會受到幹擾噪聲的來源，因此需要示波器具有強大的FFT分析能力，以便分析的幹擾噪聲的頻率
，進而排查噪聲的源頭。

 

圖8 FFT分析電源噪聲的頻譜

 

4 羅德與施瓦茨（R&S）的芯片電源測試方案

 

為了準確地測量芯片的電源噪聲，羅德與施瓦茨公司（R&S公司）提供了示波器主機和Power Rail電源軌探頭。

 

4.1 測試儀器

 

R&S公司推出的RTO/RTE係列示波器
，具有百uV級別底噪，在標稱帶寬內具有1mV/div的垂直擋位（硬件實現

，非放大），並具有強大的具備硬件數字下變頻器（DDC）實現的準實時頻譜分析功能
，可以幫助工程師準確地測量電源噪聲
，並排查幹擾噪聲的來源。

          

圖9 RTO示波器（左）和RTE示波器（右）

 

Power Rail電源軌探頭RT-ZPR20（2GHz） / RT-ZPR40（3.5GHz）具有優異的性能，專門位為電源測試量身打造。

 

1. 在2GHz/3.5GHz帶寬內具備標準化的衰減比
，保證能夠測試到GHz帶寬mV級別的電源噪聲；

2. 探頭內置+/-60V的偏置能力
，提升測試係統的偏置補償能力；

3. 探頭具有50 kΩ 的高直流輸入阻抗，可最大程度地降低對待測電源的幹擾
；

4. 探頭內部集成式 16 位數字電壓計功能可同步讀取每路電源的直流電壓數值，並可一鍵精準設置示波器的偏置電壓；

5. 專用的同軸探測線纜可焊接到電源濾波電容的兩端，標配的點測附件則便於PCB上不同位置的輕鬆探測。

 

圖10 RT-ZPR20/40關鍵參數

 

 

圖11 RTO-ZPR20/40的各種連接方式與帶寬

 

4.2 測試實例

 

下麵介紹利用RTO示波器和 Power Rail電源軌探頭RT-ZPR20測試電源噪聲，並排查噪聲來源的實例。

 

圖12 一次探接便可從時頻和域測試電源噪聲

 

將RT-ZPR20探頭連接到測試點後，按照如下操作進行測試

 

1. RT-ZPR20內置電壓計實現高精度DC電壓測試，測得電源電壓為3.3V
；

2. RT-ZPR20的偏置設到3.3V附近，並將示波器兩成設到10mV/div
；

3. 示波器測得電源噪聲波形，從時域波形上發現有明顯的幹擾噪聲；

4. 對電源噪聲幅值進行測試與統計
；

5. FFT頻譜分析
，得到幹擾噪聲的頻譜

，確定噪聲的來源。

 

5 總結

 

R&S公司的RTO/RTE係列示波器
，配以專門的電源軌探頭RT-ZPR20/40，可以準確測量芯片的電源噪聲，優異的頻譜FFT分析能力還可以快速排查電源噪聲
，保證產品的可靠性。

 

 

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