图1 日益发展的技能对芯片电压测试的寻衅
如果芯片的电源噪声没有达到规范哀求，就会影响产品的性能，乃至整机可靠性。因此工程师须要准确地丈量当代电路产品中的芯片电压的电源噪声。
以往电源噪声的哀求坚持在几十mV的量级，而随着芯片电压的降落，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哀求乃至到了百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紧张来源。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革和噪声，它们包含了1 GHz以上的频率身分。
因此与传统的电源比较，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寻衅。
图2 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）引入的噪声滋扰为了担保电路上各个芯片的供电，电源分布网络（PDN）遍布全体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/数据的变革会耦合到电源分布网络上，也会成为电源噪声的来源。在这种情形下，工程师还须要定位电源噪声的来源，以便后续调度PCB的布局和布线，减少PDN网络受到的滋扰。
图3 时钟/数据传输线耦合到电源分布网络的滋扰
3 影响电源噪声测试准确性的成分示波器是电源噪声测试的主要仪器。为了能够准确地丈量GHz带宽内mV级别的电源噪声，并定位滋扰电源分布网络的噪声来源，须要考虑如下成分：示波器的底噪，探头的衰减比，示波器的偏置补偿能力，探头的探接办法，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4 时钟/数据传输线耦合到电源分布网络的滋扰
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愿定性。
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样平常在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愿定性。
以是，为了准确丈量电源噪声，须要一款衰减比为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，为此须要将示波器的偏置电压设到与直流电压相等的水平，再丈量电源的噪声。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直流电源上的噪声颠簸，但是示波器在该偏置电压的垂直挡位会受限，一样平常只能到20mV/div，用来测试mV级别的电源噪声，会带来很大的偏差。
为理解决类似问题，有的工程师利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 探头的探接办法电路形态互异，须要有更灵巧的方法来进行旗子暗记的探接。探接的稳定性和寄生参数对被测电源电路的影响不可忽略，以是须要只管即便贴近芯片的管脚，并利用短地线。
图7 贴近芯片管脚，利用短地线
3.5 示波器的FFT能力由于电源分布网络PDN会受到滋扰噪声的来源，因此须要示波用具有强大的FFT剖析能力，以便剖析的滋扰噪声的频率，进而排查噪声的源头。
图8 FFT剖析电源噪声的频谱
4 罗德与施瓦茨（R&S）的芯片电源测试方案为了准确地丈量芯片的电源噪声，罗德与施瓦茨公司（R&S公司）供应了示波器主机和Power Rail电源轨探头。
4.1 测试仪器R&S公司推出的RTO/RTE系列示波器，具有百uV级别底噪，在标称带宽内具有1mV/div的垂直挡位（硬件实现，非放大），并具有强大的具备硬件数字下变频器（DDC）实现的准实时频谱剖析功能，可以帮助工程师准确地丈量电源噪声，并排查滋扰噪声的来源。
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）具有精良的性能，专门位为电源测试量身打造。
在2GHz/3.5GHz带宽内具备1：1的衰减比，担保能够测试到GHz带宽mV级别的电源噪声；探头内置+/-60V的偏置能力，提升测试系统的偏置补偿能力；探头具有50 kΩ 的高直流输入阻抗，可最大程度地降落对待测电源的滋扰；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；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的各种连接办法与带宽
4.2 测试实例下面先容利用RTO示波器和 Power Rail电源轨探头RT-ZPR20测试电源噪声，并排查噪声来源的实例。
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
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；RT-ZPR20的偏置设到3.3V附近，并将示波器两成设到10mV/div；示波器测得电源噪声波形，从时域波形上创造有明显的滋扰噪声；对电源噪声幅值进行测试与统计；FFT频谱剖析，得到滋扰噪声的频谱，确定噪声的来源。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，可以准确丈量芯片的电源噪声，精良的频谱FFT剖析能力还可以快速排查电源噪声，担保产品的可靠性。
