用示波器测量电源噪声的方法(1)

用示波器测量电源噪声的方法(1) 2010年8月9日 大哥牛 3 条评论 引言 如今的电子 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 越来越趋向与切换速度加快，封装上会有更多的引脚，信号幅度更小。因此设计 人员在从手机到服务器等新的数字电路设计中会更注意电源噪声。实时示波器通常用来测量电源 噪声。本文将讲述分析电源噪声的技术，评估电源噪声测试的工具。 面临的问题 由于切换速度和信号转换速率增加，设备上需要切换的引脚数目越来越多，电源中引入了更多的 切换噪声。同时，电路也变得越来越受电源噪声影响。减少单位间隔意味着减少时间裕量。减小 信号幅度会转为减少噪声裕量。对所有工程上会遇到的问题，理解问题并精确的测量数据才能解 决问题。 对“噪声”的理解 在理想的情况下，电源是不会有噪声的，那么电源噪声是怎么产生的呢？ 除了由于热过程不可避免引起的高斯噪声（通常这不是噪声的主要部分）之外，所有的电源噪声 都会有一到两个源。开关电源会造成不希望的噪声，这些噪声通常会在开关切换频率的谐波或者 和切换频率一致。当门电路和输出引脚驱动开关时，会要从电源上得到电流。这是大多数数字电 路中的噪声源。这些切换虽然会随机的发生，但是会趋向于和系统时钟一致。当我们把这些看出 是叠加在电源上的“信号”而不是“噪声”的时候，分析就会变得简单有效。 测量的挑战 由于电源噪声带宽很大，设计师更倾向于用示波器来测量电源噪声。我们会在后面讲述示波器对 噪声原因分析的独特作用。 实时高带宽数字示波器和高带宽探头自身也有噪声，这个必须要考虑。如果你要测量的电源噪声 和示波器以及探头的噪底是在一个数量级上的话，你的测量的精确度就会有问题了。本文就要讨 论关于示波器噪底的更多信息。 另外一个问题是动态范围。电源是直流电压，上面的交流噪声占直流电平的比例很小。有些示波 器很探头就会遇到问题，要设置好偏置，要很好的探测才能得到更好的观测噪声，才能是示波器 自身的噪底很小。下面就讲一讲示波器自身的噪声。 示波器自身的噪声 图1. 噪声源 如图1所示。示波器探头系统中有2个主要的噪声源。示波器的输入放大器和缓冲电路 Page 1 of 12大哥牛的信号完整性博客 » 测量仪器 2011-5-12http://www.signal-integrity.org/post/category/si/instrument/page/2 会造成噪声，探头放大器自身设计也会带来噪声。 所有的示波器都有衰减器来调整垂直方向缩放系数。在衰减器之后噪声会出现。所以 当衰减器的比例是其他任何不为1:1的比例时（也就是示波器最敏感的硬件范围），噪 声在输入接头处会相应的被放大。例如，如果一个示波器在没有衰减器的时候，最小 的敏感范围是5mV/格。假定示波器在调成5mV/格时噪底均方根是500uV。把最小敏感 范围调节成50mV/格时，示波器在输入出串联了一个10:1的衰减器，噪声在输入出就会 变成均方根为5mV（500uV乘以10）. 因此，应该使用示波器最小的敏感范围来避免“放大”示波器自身的噪声。 示波器探头的噪声是在示波器衰减器的前面，所以无论衰减系数是多少，噪声的贡献 都是一样的。 在大多数情况下，把示波器调节成最敏感范围时，探头的噪声会比示波器的噪声大很多。你可能 会问：为什么还要用探头？大多数电源驱动示波器50欧姆是没有问题的，那么为什么还要使用探 头引入的不必要噪声呢？问题的原因是和动态范围有关。下面举例说。测量1.5V直流电源噪声 时，需要把偏置设成1.5V来把信号放在屏幕的中央同样也是放在示波器A/D转换器测量范围的中 间。在1.5V偏置的情况下示波器最小敏感范围是100mV/格。在100mV/格时，示波器自身的噪声均 方根大约是3mV。在100mV/格时，你要测量的噪声只占A/D转换器量程比例的一小部分，你必须 要再测量是满足分辨率的要求。如果使用差分有源探头，你可以在把偏置设成1.5V直流电压时， 用10mV/格来测量。 如果示波器支持AC耦合，动态范围的问题也可以用AC耦合来解决。如果你的示波器有50欧姆输 入，使用50欧姆同轴电缆和1:1的探头（如后面所示），你可以使用一个串行的隔直电容。选择一 个能观测到最小有用频率的隔直电容。使用AC耦合的唯一缺点是你无法观测电源电压的缓慢变 化。 测量实例 此实验中为了模拟电源中可控的噪声源，我们用如图2所示的噪声源。方波模拟从驱动管脚和其他 瞬态负责引起的切换噪声。正弦波模拟开关电源噪声。我们同时也加入了随机噪声来使测量相关 噪声变得更困难。 图 2.实验设置 首先我们测量系统自身的噪声，包括示波器和探头。图3显示了在没有探头时的噪声。测量噪声的 数量级是均方根800uV。如果我们要测量的噪声的数量级是均方根2.4mV或者更小，测量的结果就 有问题了，这取决于噪声自身的特性。正交的高斯分布的噪声如果是均方根2.4mV,测量的结果就 是2.4mV平方加800uV的平方，然后开根号，结果是2.53mV,误差率大约是5%。 Page 2 of 12大哥牛的信号完整性博客 » 测量仪器 2011-5-12http://www.signal-integrity.org/post/category/si/instrument/page/2 图3. 示波器和探头噪声 从另一方面说，如果噪声是有边界的相关联的，我们可以在更小的幅度上精确的测量。 图4显示的“噪声”包括了3种噪声源：正弦波，方波，随机噪声，在这个图中没有有用的分析信 息。 Page 3 of 12大哥牛的信号完整性博客 » 测量仪器 2011-5-12http://www.signal-integrity.org/post/category/si/instrument/page/2 分类: 测量仪器, 电源完整性 标签: measurement, oscilloscope, Power Noise, 测量, 电源噪声, 示波器 TDR简介(4)-应用中的常见问题 2009年8月27日 大哥牛 8 条评论 1.激励信号保真度和接收系统噪声问题 用于测量的阶越信号的形状对 TDR/TDT 测量的准确性非常重要。时域反射计测量是测量 DUT 对激励的阶 越信号的响应，DUT 阻抗不连续性反映为反射信号的变化。因此，如果激励的阶越 信号存在过冲或不平坦性等异常，则会直接导致 DUT 阻抗测试的幅度误差。所以，要提高 TDR 测试的精度，首先需要保证激励信号的保真度，既尽力减小激励信号的过冲和不平坦性。 另一方面，作为 TDR 系统测试接收机的示波器本底噪声也是直接影响 TDR 测试幅度误差的重要 原因。由 于本底噪声随机叠加在激励阶越信号和 DUT 反射信号之上，因此，无法通过校准进行 克服，故此，提高 TDR 阻抗测试的另一个重要因素是巨大可能降低接收机（示波器）的本底噪 声。 2.上升沿时间问题 实际上，任何测试系统都只能具有有限的测量带宽（频域上），即等效于低通滤波器。与之相 应， 系统在时域上具有有限的上升时 间或响应速度。如果 TDR 测试系统的响应过慢，则 DUT 的阻抗不连续特性可能 被掩盖，甚至是无法分辨。如上 图所示，同一器件在不同上升时 间（由 上至下，上升时间分别为100ps, 35ps 和 20ps）情况下进行 测试，其阻抗不连续点的测量有 很大 的差异。除了幅度上的差异外，最主要的是时间轴上的分辨 率随上升沿的加快而得到提高。TDR 测试系统的整体上升时间由下式决定： Page 4 of 12大哥牛的信号完整性博客 » 测量仪器 2011-5-12http://www.signal-integrity.org/post/category/si/instrument/page/2 其中，Trstep 是阶越信号的上升时间，Trscope 是示波器带宽对应的上升时间。 图 5. 上升时间对 TDR 测试的影响 通常阶越信号经过两个相邻的阻抗不连续点之间的时间大于TDR测试系统的上升时间 （Trsystem）的二分之 一，则这两个阻抗不连续点是可以被此TDR系统分辨的。因此，不可否 认，激励阶越信号的上升沿快慢对于 TDR 的时间分辨率测量非常关键。确切来说，用于测量 的 示波器带宽及积激励阶越信号的上升沿快慢决定了 TDR 阻抗不连续性点的最小分辨率。那么是 否可以这样认为，TDR 激励阶越信号源上升沿越快，则该 TDR 越好呢？实际上，这种认识是片 面 的。 1）首先，实际的测试系统还要包含测试夹具（电缆，转接器，连接器及探针等），由于测试夹具 的性能， 可能会大大略化 TDR 实际测试系统的上升时间，参考下式： 也就是说，如果测试夹具无法满足更快的上升时间，则选择上升沿再快的 TDR 也是没有意义 的。 2）选择多快的上升沿的 TDR 主要取决于 DUT 的工作速率（或频率范围）。对于大多 TDR 说 应用来说， DUT 的工作速率 <10G，因此没有必要单纯追求快的上升沿。按照 TDR 分辨能力， 35ps 的上升时间（包 括阶越信号和示波器）的 TDR 系统在空气为介质的系统中（介电常数为 1），最小可分辨 5mm 的物理间 隔；对于典型的 PCB 材料（介电常数约等于 4），35ps 的 TDR 系统最小可分辨 2.5mm 的物理间隔 (对于 信号场在空气和 PCB 材料之间的情况下，这个 值可能更大一点；而对于过孔，封装引线，Socket 连接器， 该值可能更小)。应该来说，>95%以 上的 TDR 应用，35ps 上升时间的 TDR 系统是足够的。而且，对于本身工作速率不高的系统，过 快的上升沿会产生额外的过冲和多次反射，不但不会提高测试精度，反而会引入不必要的误差。 更重要的是，TDR 的分辨率不仅仅取决于上升沿时间，综合信号脉冲保真度和 TDR 校准技术对 于 TDR 的 分辨率也有相当大的影响。所以，用户在选择 TDR 测试模块时，不能单纯追求更快 的上升沿时间，必须综 合考虑系统的各个方面，才能达到完成更高质量的测量。 3.真假差分问题 大多说高速应用中都采用差分信号，其原因在于： Page 5 of 12大哥牛的信号完整性博客 » 测量仪器 2011-5-12http://www.signal-integrity.org/post/category/si/instrument/page/2 1) 差分信号自己控制‘基准’电压，所以能够很容易地识别 小信号。在一个以‘Ground’做基准 的单端信号系统里， 测量信号的精确值依赖系统内‘Ground’的一致性。信号 源和信号接收器距 离越远，其局部‘Ground’的电压值之 间有差异的可能性就越大。从差分信号恢复的信号值在很 大程度上与‘Ground’的精确值无关，而在某一范围内。 2) 差分信号对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对 的每一 端。既然电压差异决定信号值，这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干 扰不大灵敏外，差分信号比单端信号生成的 EMI 还要少。 3) 差分信号在一个单电源系统,能够从容精确地处理‘双极’信号。为了处理单端,单电源系统的双 极信 号,我们必须在地和电源干线之间某任意电压处（通常是中点）建立一个虚地。用高于虚地 的电压来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示正极信号,低于虚地的电压来表示负极信号。接下来，必须把虚地正确地分布到整 个系统里。而对于 差分信号，不需要这样一个虚地，这就使我们处理和传播双极信号有一个高保 真度，而无须依赖虚地 的稳定性。 由于差分信号的广泛应用，TDR 系统也应具有差分信号测试能力。TDR 差分测试中，有两种方 法： 1） “真”差分激励：采用同时输出正向(V+)和反向(V-)的激励阶越信号进行“真”差分测试。 2） “假”差分激励：仅采用正向（V+）脉冲激励，通过数学计算建立差分模型实现差分测试。 连种方法孰优孰略呢？按照思维定势，很多人认为由于 DUT 工作在“真” 差分信号激励下，所 以 TDR 为 得到准确的差分阻抗理应也在此种激励条件下测试才对。这种观念正确吗？ 事实上，上述论点成立的前提是能够产生理想的“真”差分激励信号。而这一点，在现实的差分 系统的对线结构中，很难保证两个吉祥相反的正脉冲内的电磁场完全一致，而在这种激励情况 下，如何获得正确的差分阻抗呢？ 图 6 理想的差分系统（左）与非理想差分系统（右）电磁场分布 而采用“假”差分激励，由于采用相同的正脉冲，通过叠加运算建立差分模型，就可以完全克 服，并获得理想状况下差分激励相同的测试结果。该理论在传统的矢量网络分析仪(VNA)测试中 已经得到广泛的应用及认可，其理论依据参考 “Fields and Waves in Communications Electronics” by Ramo, Whinnery, and Van Duzer, (1965, John Wiley and Sons)，该文献中对此有如下描述： Page 6 of 12大哥牛的信号完整性博客 » 测量仪器 2011-5-12http://www.signal-integrity.org/post/category/si/instrument/page/2 “It is frequently possible to divide a given field problem into two or more simpler problems, the solution of which can be combined to obtain the desired answer. The validity of this procedure is based on the linearity of the Laplace and Poisson equations. That is ∇2(Φ1 + Φ2 ) = ∇2Φ1 + ∇2Φ2 ∇2(kΦ1 ) = k∇2Φ1 The utility of the superposition concept depends on finding the simpler problems with boundary conditions which add to give the original boundary conditions”. 当然，需要指出，叠加理论仅适用于线性无源电路分析。由于 TDR 也只能对无源器件测试有 效，即便是有 源器件也必须配置成线性无源状态才能进行测试。因此“假”差分激励测试理论是 完全适合 TDR 测试，而 且是最佳的获得差分 TDR 测试精度的技术。对此，需要强调两点： · “假”差分激励：能够保证完美对称的激励信号沿 · “真”差分激励：由于不对称的激励信号，会导致模式转换和潜在的关键测试误差 “真差分测试是最佳的”这种说法（至少对于无源器件测试来说）本身是一 种荒诞的说法，它只 会引导我们远离 最准确地进行测量。 图 7 是“真”/“假”差分激励 TDR 系统的激励信号的纹波，不难看出， “假”差分激励情况 下，差分信号的 纹波很小（<<3mV），而“真”差分 激励情况下，差分信号本身的纹波已 经高 达 9mV。 图7 “真”/“假”差分激励TDR 系统的激励信号的纹波 左图“假”差分激励 右图“真”差分激励 4.TDR 校准问题 应该说 TDR 的测试并不像矢量网络分析仪(VNA)测试那样，测试结果的精确性完全依赖于非常严 格的校准。但是为了获得更高的测试精度， 使得时域测试（TDR）和频域测试（VNA）得到完美 的统一，以及最大化的发挥 TDR 测试能力，进行 TDR校准是必要的也是可行的。 通过进行 TDR 校准，我们可以得到哪些好处呢？ · TDR 校准后可以通过运算修正调节激励信号上升沿 =>上升时间可以和现实工作状态相同 Page 7 of 12大哥牛的信号完整性博客 » 测量仪器 2011-5-12http://www.signal-integrity.org/post/category/si/instrument/page/2 · TDR 校准可以帮助去除有下列因素差生的误差 =>测试电缆和连接器 =>非理想的示波器频响 =>非理想的阶越信号激励源（畸变） · TDR 校准可以帮助典型测试条件下（即通常测试平面并不在测试仪表端面的情况下）获得更佳 的 阻抗测试精度，特别是当需要观察相邻非常近的阻抗不连续点时，需要进行校准。 => TDR 校准可以提高 TDR 2-点分辨率 · TDR 校准对使用探针进行测试也适用，可以通过校准基片，将校准平面延伸到探针针尖。 图 8 通过测试夹具连接 DUT 的 TDR 测试 （左）不进行 TDR 校准 （右）进行 TDR 校准 由上图所示，进行 TDR 校准不仅能够克服夹具引入的误差，而且可以提高 TDR 测试的分辨率。 分类: 信号完整性, 测量仪器 标签: TDR, 时域反射仪 TDR简介(3)-典型应用 2009年8月27日 大哥牛 没有评论 由下表常见的数字信号接口可以看出，6 GHz 带宽的示波器也仅仅能满足今天的 PCI-E 系统。而 所有未来 主要的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 都至少需要 10-12 GHz 的带宽！ Serial Bus Standard Data Rate Fundamental Frequency 3rd Harmonic Frequency 5th Harmonic Frequency SATA I 1.5 Gb/s 0.75 GHz 2.25 GHz 3.75 GHz DVI 1.65 Gb/s 0.825 GHz 2.475 GHz 4.125 GHz PCI Express I 2.5 Gb/s 1.25 GHz 3.75 GHz 6.25 GHz SATA II 3.0 Gb/s 1.5 GHz 4.5 GHz 7.5 GHz XAUI 3.125 Gb/s 1.56 GHz 4.69 GHz 7.81 GHz Fibre Channel 4.25 Gb/s 2.125 GHz 6.375 GHz 10.625 GHz FBD 4.8 Gb/s 2.4 GHz 7.2 GHz 12.0 GHz PCI Express II 5.0 Gb/s 2.5 GHz 7.5 GHz 12.5 GHz Page 8 of 12大哥牛的信号完整性博客 » 测量仪器 2011-5-12http://www.signal-integrity.org/post/category/si/instrument/page/2 另外高速数字通信的传输线路(例如连接器和印刷电路板线路)需要精确控制阻抗，否则可能会影响 高速信 号的信号完整性。PC1-Express 或串行 ATA 等新标准需要精确侧量传输线路的 S 参数和阻抗。 我们可以使用 TDR 和 S 参数分析软件来分析这些问题并在设计初 解决他们。在 PCB、连接器和电缆上进 行基于工业标准的阻抗和 S 参数测量。下表是 TDR 可以完成的测试。 分类: 信号完整性, 测量仪器 标签: TDR, 时域反射仪 TDR简介(2)-与其他测试方法的比较 2009年8月27日 大哥牛 没有评论 最常用的测量传输线和负载的方法是向系统发送一个正弦波，并观察线上不连续点的波形。这种 测试方法中，我们要计算SWR(驻波比) 并将它看作系统的参数。当系统有数个阻抗不连续点时， SWR测试往往不能分开这些点。另外，当系统拥有很宽的带宽时，必须测量很多频点的SWR，测 试很枯燥并且耗费时间。另一个常见的测量传输线的仪器是矢量网络分析仪(VNA)。这时，信号 源产生一个连续扫频的正弦波来激励DUT。VNA 测量DUT 的反射信号和传输信号。反射信号可 以用多种格式显示，包括SWR 和反射系数。假如VSA 带有IFFT，我们就可以用和TDR 一样的格 式来显示信号。假如用户对于频域S 参数很熟悉的话，这将是一个很好的办法。长久以来，VNA 作为传统的S 参数测量工具。在测量插入损耗和回波损耗的各种仪器中，更是广为人知的“标 准”频域测量仪器。它具有世界上最精确和最广泛的动态范围。很多熟悉频域的用户对于TDR 的 测试结果表示怀疑。图3 是VNA 和TDR 之间的差分插入损耗(SDD11)对比。蓝色为带有TDR 校准 的TDR，它显示在高达大约10 GHz 的范围内与VNA(红色)测试结果高度匹配。该结果证明带有 TDR 校准的TDR 具有与VNA 相当的精度。 SATA III 6.0 Gb/s 3.0 GHz 9.0 GHz 15.0 GHz CEI 6.25 Gb/s 3.125 GHz 9.375 GHz 15.625 GHz Proprietary 7.0 Gb/s 3.5 GHz 10.5 GHz 17.5 GHz 10 GbE 10.0 Gb/s 5.0 GHz 15.0 GHz 25.0 GHz 单端测试 差分测试 测量传输线的特征阻抗 差模阻抗 测量传输显得时域延迟 奇模阻抗 精确测量传输线上的信号速度 共模阻抗 建立器件的非连续模型 偶模阻抗 建立器件的宽带宽模型 Page 9 of 12大哥牛的信号完整性博客 » 测量仪器 2011-5-12http://www.signal-integrity.org/post/category/si/instrument/page/2 图3 TDR 测试动态范围vs VNA 测试动态范围 VNA 也并不是万能的，它的强大是建立在复杂校准的基础上，也不能直接在直流情况下进行测 量，当被测件很长时（电缆），完成低频测量也要花费很长时间。TDR 由于从DC 开始测量，具 有良好的低频信号， TDR 具有相当大的存储深度，可以有效的测量长电缆的S 参数。另外， VNA 的价格高出TDR 很多。 Page 10 of 12大哥牛的信号完整性博客 » 测量仪器 2011-5-12http://www.signal-integrity.org/post/category/si/instrument/page/2 图4 TDR 和VNA 的对比 分类: 信号完整性, 测量仪器 标签: TDR, 时域反射仪 TDR简介(1)-测试原理 2009年8月27日 大哥牛 没有评论 VNA TDR 原理 采用扫频的方式 采用时域反射的方式 激励方式 正弦波信号激励（窄带） 阶越信号激励（宽带） 接收方式 窄带接收 宽带接收 易于使用 TDR 的设置简便 眼图测试 NA 示波器, TDR, 抖动, 眼图分析 测试速度 TDR 具有更快的测试速度 预算 $30k~>$100k USD $35k USD 频率范围 3G~67GHz 13-15GHz 动态范围 110dB 45dB Page 11 of 12大哥牛的信号完整性博客 » 测量仪器 2011-5-12http://www.signal-integrity.org/post/category/si/instrument/page/2 评价频率响应的最普通的方法是在频域中解Maxwell 方程。这个过程能够把系统所有的物理和电 气特性都考虑进去，包括传输线。因而已经有很多基于此原理的测量方法来帮助电气工程师分析 信号完整性。当和其他测试方法比较时，时域反射（TDR： Time Domain Reflector）可以提供更 加直观观察DUT 的特性。TDR 使用阶跃信号发生仪和示波器，在被测得传输线上发送一个快速的 上升沿，再特定的点上用示波器观察反射电压波形。这种技术可以测出传输显得特性阻抗，并显 示出每个阻抗不连续点的位置和特性（阻抗、感抗和容抗）。所有这些信息都是示波器上实时显 示。相对于其他技术，TDR 能够给出更多的关于系统宽带相应的信息。 、 图1 时域反射计工作原理 阶跃信号发生器向被测系统产生一个正向的阶跃信号。该信号沿着传输线向前传输。如果负载组 抗等于传输线的特性阻抗，将没有信号反射，示波器上能看到的只有发送的阶跃信号。假如负载 存在失配，将有部分的输入信号被反射，示波器上将出现反射信号和输入信号的叠加。图2 是一 个传输线的测试波形，由此可以看出，对于非连续的阻抗，示波器对应位置将出现变化的波形， 由此我们就能够分析每个中断点的特性。 图2 时域反射计测试结果 TDR 测试的典型结果 · A: 50 Ohm 电缆 · B: 微波传输带开始 · C: 50 Ohm 微波传输带 · D: 75 Ohm 微波传输带 · E: 50 Ohm 微波传输带 · F: 开路 Page 12 of 12大哥牛的信号完整性博客 » 测量仪器 2011-5-12http://www.signal-integrity.org/post/category/si/instrument/page/2