【测试案例分享】电源纹波和噪声

电源是芯片的能量来源，也是逻辑状态的参考基准。如果电源的纹波和噪声过大，会在高速变化的逻辑信号上产生大量抖动，进而产生误码(注:误码即错误的码元，将逻辑1当成逻辑0,或者将0当成1)，影响芯片的性能，甚至导致芯片无法正常工作。高速信号验证中非常重要的随机抖动和低频的周期性抖动，就是由于电源的噪声和纹波所引入的。

图1：电源纹波和噪声

图2：纹波的频域分析

图3：纹波对信号完整性的影响仿真分析工具

电源的纹波和噪声测量，一直都是电源工程师们最关注的问题之一。 算力芯片更低的工作电压，导致电源留给纹波和噪声的裕度变得更小了，部分算力芯片及其外围交换机芯片的电源纹波和噪声的峰峰值要求低至3mV，给设计和测试都带来了难题。

设计上，算力芯片普遍采用POL的降压方式，将DC-DC变压器尽可 能靠近负载端，可以有效避免传输链路上引入的外部干扰。 

测试上，使用更高精度、更低底噪的示波器，和专用的电源纹波探头， 降低测量系统引入的噪声，才能更准确地测量电源纹波和噪声。

解决方案构成

泰克MSO6B示波器拥有12-bitsADC和泰克专利的Tek061前端芯片，使示波器的底噪达到了惊人的8.68uV(有效值)。同时利用专有的频域测试功能，让纹波成分无所遁形，配合专用的TPR电源轨探头，测量系统底噪低至300uV峰峰值，为精确测量低电压、高精度的电源噪声提供了可能。MSO64B的底噪和市场上其它同类示波器相比，优势非常明显。

图4：使用MSO6B和TPR探头测试电源纹波

图5：MSO6B示波器和竞品的底噪对比

泰克的电源轨探头TPR系列，20MHZ带宽下的底噪的峰峰值（注意是峰峰值）低至300uV。而且TPR探头还支持高达60V的偏置电压，多种多样的探头附件，不仅测得准，用起来还很方便。

图6：TPR探头指标

实测案例分享

数据中心里的交换机，是算力单元协同合作、构建算力网络的桥梁。我们用来实测的这个交换机，核心芯片电源约为1V，规范要求其噪声峰峰值在3mV以内。

图7:使用MSO6B和TPR探头实测数据中心交换机芯片的电源纹波和噪声

我们分别使用三种探头测量这个交换器的电源纹波和噪声。使用普通无源探头和地线环，测量电源噪声的结果，最大峰峰值为7.97mV。使用有源差分探头，测量待测物的电源噪声，最大峰峰值为4.92mV。使用TPR电源轨探头，电源纹波的峰峰值居然只有惊人的为714uV），远小于规范要求的3mV。这个产品的电源设计其实非常优秀，但如果用常规的无源探头或有源差分探头，根本测不出它真实的噪声水平。

图8：分别使用无源探头，有源差分和TPR电源轨探头，对比实测结果

总结

在电源纹波和噪声要求越来越高的今天，示波器和探头所引入的系统底噪不容忽视。测量结果不达标可能是因为示波器和探头的精度不够，而不是待测物设计地不够好。使用泰克高精度示波器MSO6B和专用的电源纹波探头TPR系列，仪器底噪低至300uV，为精确测量低电压、高精度的电源噪声提供了可能。