1日益发展的技术对芯片电压测试的挑战

 

随着5G、车联网等技术的飞速发展，信号的传输速度越来越快，集成电路芯片的供电电压随之越来越小。早期芯片的供电通常是5V和3.3V，而现在高速IC的供电电压已经到了2.5V、1.8V或1.5V，有的芯片的核电压甚至到了1V。芯片的供电电压越小，电压波动的容忍度也变得越苛刻。对于这类供电电压较小的高速芯片的电压测试用电源噪声表示，测求要求从±5%到 ±-1.5%，乃至更低。

 

 

图1 日益发展的技术对芯片电压测试的挑战

 

如果芯片的电源噪声没有达到规范要求，就会影响产品的性能，乃至整机可靠性。因此工程师需要准确地测量现代电路产品中的芯片电压的电源噪声。

 

2芯片电源噪声的特点

 

2.1 更小幅度，更高频率

 

以往电源噪声的要求维持在几十mV的量级，而随着芯片电压的降低，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要求甚至到了百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主要来源。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化和噪声，它们包含了1 GHz以上的频率成分。

 

因此与传统的电源相比，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挑战。

 

表1 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）引入的噪声干扰

 

为了保证电路上各个芯片的供电，电源分布网络（PDN）遍布整个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/数据的变化会耦合到电源分布网络上，也会成为电源噪声的来源。在这种情况下，工程师还需要定位电源噪声的来源，以便后续调整PCB的布局和布线，减少PDN网络受到的干扰。

 

 

图2 时钟/数据传输线耦合到电源分布网络的干扰

 

3影响电源噪声测试准确性的因素

 

示波器是电源噪声测试的重要仪器。为了能够准确地测量GHz带宽内mV级别的电源噪声，并定位干扰电源分布网络的噪声来源，需要考虑如下因素：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3 示波器底噪对电源噪声测试结果的影响

 

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确定性。

 

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般在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确定性。

 

所以，为了准确测量电源噪声，需要一款衰减比为1:1，带宽到GHz的探头。

 

 

图4 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，为此需要将示波器的偏置电压设到与直流电压相等的水平，再测量电源的噪声。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直流电源上的噪声波动，但是示波器在该偏置电压的垂直挡位会受限，一般只能到20mV/div，用来测试mV级别的电源噪声，会带来很大的误差。

 

为了解决类似问题，有的工程师使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5 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 探头的探接方式

 

电路形态各异，需要有更灵活的方法来进行信号的探接。探接的稳定性和寄生参数对被测电源电路的影响不可忽视，所以需要尽量贴近芯片的管脚，并使用短地线。

           

 

图7 贴近芯片管脚，使用短地线

 

3.5 示波器的FFT能力

 

由于电源分布网络PDN会受到干扰噪声的来源，因此需要示波器具有强大的FFT分析能力，以便分析的干扰噪声的频率，进而排查噪声的源头。

 

 

图8 FFT分析电源噪声的频谱

 

4罗德与施瓦茨（R&S）的芯片电源测试方案

 

为了准确地测量芯片的电源噪声，罗德与施瓦茨公司（R&S公司）提供了示波器主机和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）实现的准实时频谱分析功能，可以帮助工程师准确地测量电源噪声，并排查干扰噪声的来源。

         

 

图9 RTO示波器（左）和RTE示波器（右）

 

Power Rail电源轨探头RT-ZPR20（2GHz） / RT-ZPR40（3.5GHz）具有优异的性能，专门位为电源测试量身打造。

 

在2GHz/3.5GHz带宽内具备标准化的衰减比，保证能够测试到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，可最大程度地降低对待测电源的干扰；

 

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的各种连接方式与带宽

 

4.2 测试实例

 

下面介绍利用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，从时域波形上发现有明显的干扰噪声；

 

对电源噪声幅值进行测试与统计；

 

FFT频谱分析，得到干扰噪声的频谱，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，可以准确测量芯片的电源噪声，优异的频谱FFT分析能力还可以快速排查电源噪声，保证产品的可靠性。