【測試案例分享】電源紋波和噪聲

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電源是芯片的能量來源，也是邏輯狀態(tài)的參考基準(zhǔn)。如果電源的紋波和噪聲過大，會(huì)在高速變化的邏輯信號上產(chǎn)生大量抖動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生誤碼(注:誤碼即錯(cuò)誤的碼元，將邏輯1當(dāng)成邏輯0,或者將0當(dāng)成1)，影響芯片的性能，甚至導(dǎo)致芯片無法正常工作。高速信號驗(yàn)證中非常重要的隨機(jī)抖動(dòng)和低頻的周期性抖動(dòng)，就是由于電源的噪聲和紋波所引入的。

圖1 電源紋波和噪聲

圖2 紋波的頻域分析

圖3 紋波對信號完整性的影響仿真分析工具

電源的紋波和噪聲測量，一直都是電源工程師們最關(guān)注的問題之一。 算力芯片更低的工作電壓，導(dǎo)致電源留給紋波和噪聲的裕度變得更小了，部分算力芯片及其外圍交換機(jī)芯片的電源紋波和噪聲的峰峰值要求低至3mV，給設(shè)計(jì)和測試都帶來了難題。

設(shè)計(jì)上，算力芯片普遍采用POL的降壓方式，將DC-DC變壓器盡可 能靠近負(fù)載端，可以有效避免傳輸鏈路上引入的外部干擾。

測試上，使用更高精度、更低底噪的示波器，和專用的電源紋波探頭， 降低測量系統(tǒng)引入的噪聲，才能更準(zhǔn)確地測量電源紋波和噪聲。

解決方案構(gòu)成

泰克MSO6B示波器擁有12-bitsADC和泰克專利的Tek061前端芯片，使示波器的底噪達(dá)到了驚人的8.68uV(有效值)。同時(shí)利用專有的頻域測試功能，讓紋波成分無所遁形，配合專用的TPR電源軌探頭，測量系統(tǒng)底噪低至300uV峰峰值，為精確測量低電壓、高精度的電源噪聲提供了可能。MSO64B的底噪和市場上其它同類示波器相比，優(yōu)勢非常明顯。

圖4 使用MSO6B和TPR探頭測試電源紋波

圖5 MSO6B示波器和競品的底噪對比

泰克的電源軌探頭TPR系列，20MHZ帶寬下的底噪的峰峰值（注意是峰峰值）低至300uV。而且TPR探頭還支持高達(dá)60V的偏置電壓，多種多樣的探頭附件，不僅測得準(zhǔn)，用起來還很方便。

圖6 TPR探頭指標(biāo)

實(shí)測案例分享

數(shù)據(jù)中心里的交換機(jī)，是算力單元協(xié)同合作、構(gòu)建算力網(wǎng)絡(luò)的橋梁。我們用來實(shí)測的這個(gè)交換機(jī)，核心芯片電源約為1V，規(guī)范要求其噪聲峰峰值在3mV以內(nèi)。

圖7 使用MSO6B和TPR探頭實(shí)測數(shù)據(jù)中心交換機(jī)芯片的電源紋波和噪聲

我們分別使用三種探頭測量這個(gè)交換器的電源紋波和噪聲。使用普通無源探頭和地線環(huán)，測量電源噪聲的結(jié)果，最大峰峰值為7.97mV。使用有源差分探頭，測量待測物的電源噪聲，最大峰峰值為4.92mV。使用TPR電源軌探頭，電源紋波的峰峰值居然只有驚人的為714uV），遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的3mV。這個(gè)產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)其實(shí)非常優(yōu)秀，但如果用常規(guī)的無源探頭或有源差分探頭，根本測不出它真實(shí)的噪聲水平。

圖8 分別使用無源探頭，有源差分和TPR電源軌探頭，對比實(shí)測結(jié)果

總結(jié)

在電源紋波和噪聲要求越來越高的今天，示波器和探頭所引入的系統(tǒng)底噪不容忽視。測量結(jié)果不達(dá)標(biāo)可能是因?yàn)槭静ㄆ骱吞筋^的精度不夠，而不是待測物設(shè)計(jì)地不夠好。使用泰克高精度示波器MSO6B和專用的電源紋波探頭TPR系列，儀器底噪低至300uV，為精確測量低電壓、高精度的電源噪聲提供了可能。