泰克MSO6B系列示波器低电压下电源纹波与噪声的测试挑战
电源作为算力芯片的能量来源和逻辑状态参考基准,其纹波与噪声的控制至关重要。若纹波和噪声过大,会给高速变化的逻辑信号带来大量抖动,进而产生误码 —— 即把逻辑 1 误判为 0,或把逻辑 0 误判为 1,轻则影响芯片性能,重则导致芯片无法正常工作。在高速信号验证中,关键的随机抖动和低频周期性抖动,很多都由电源的噪声和纹波引入。
电源的纹波和噪声测量,一直是电源工程师关注的焦点。随着算力芯片工作电压不断降低,电源留给纹波和噪声的裕度大幅缩小,给设计与测试都带来了难题。
设计层面,算力芯片普遍采用 POL 降压方式,将 DC-DC 变压器尽可能靠近负载端,以此有效避免传输链路上引入的外部干扰。
测试层面,则需要使用更高精度、更低底噪的示波器和专用电源纹波探头,通过降低测量系统自身引入的噪声,来实现对电源纹波和噪声的准确测量。
泰克的 MSO6B 系列示波器在底噪性能上表现优异,其底噪有效值在 20MHz 带宽下低至 8.68uV,1GHz 带宽下低至 51.5uV,是准确测量电源纹波和噪声的优选之一。
或许有人会问,若电源电压为 1V,示波器底噪稍高一些,裕量是否还有很大空间,是否可行?这需要从两个方面来理解:
其一,仪器的底噪指标通常采用有效值,而电源纹波和噪声的测量规范一般使用峰峰值。峰峰值与测量样本数相关,测量样本数越多,峰峰值越大,我们可近似认为峰峰值是有效值的 10 倍以上。
其二,电源工程师测量底噪和纹波时都会用到探头,而探头会引入额外的底噪。
为什么一定要用探头呢?原因有几点:一是探头使用便捷;二是探头能提供较高的输入阻抗,对待测电路的影响小;三是探头可提供较大的偏置电压,能在测量噪声和纹波的同时,观察到电源直流电压的变化,尤其当芯片负载处于动态变化时,电源直流电压也会随之改变。
当示波器接上探头后,再去测量底噪的峰峰值,就会发现实际底噪并不小。有示波器和探头的工程师可以尝试一下:将示波器接上探头,不接任何待测信号,在示波器上打开峰峰值测量,得到的结果就是系统底噪。
常规的示波器与探头组合,系统底噪峰峰值在 5mV 以上。但有些算力芯片和通信芯片,要求电源噪声的峰峰值必须小于 3mV,如此一来,测量系统自身的底噪就已经超出要求,测量结果自然难以达标。
为了更准确地测量电源纹波和噪声,泰克推出了专用的电源轨探头 TPR 系列。该系列探头在 20MHz 带宽下,底噪峰峰值低至 300uV,即便在 4GHz 全带宽下,底噪峰峰值也仅为 1.3mV。而且 TPR 探头支持高达 60V 的偏置电压,还有多种探头附件,不仅测量精准,使用起来也十分方便。
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