PDN网络噪声测量

实在不好意思，由于最近工作比较忙，加上PDN网络也比较复杂，有很多东西我也没有完全吃透，而且需要为自己的理解提供各种证据及参考，写起来也比较费时，所以迟迟也没有更新，希望大家谅解。这里我跟大家介绍一下PDN网络噪声的测量方法。

在介绍PDN网络测量之前，我首先要推荐Istvan Novak的一篇文章《What's the Best Method for Probing a PDN?》。我们这里也就是按照这篇文章的思路对PDN网络测试方法进行一些展开讨论。文章中提到我们在决定如何对PDN噪声进行时域测量之前，我们需要考虑3个问题：

我们需要测量什么信号

示波器的选择

主动式和被动式探头的选择

我们现在就这三个问题展开讨论。

信号

首先我们来看一下信号。对于信号完整性测试测试来说，信号通常在发送端都有至少几百mv的信号幅度，信号的速度可能高达几GHz，甚至是几十GHz。而PDN噪声幅度通常比较小。在一些很敏感的低电压电源上的电源噪声仅有几个mV，最多峰峰值也就几十个mV。这就对测量信号的幅度精度有了更高的要求。

好的一方面是PDN噪声的信号带宽却不需要那么大，从通常的PDN阻抗曲线中我们可以看到，在第一个谐振频率点，PDN网络拥有最大的阻抗，而这个谐振频率点通常在几十MHz，即使是在一些电流很小的电源上，第一个谐振频率最多也就几百MHz。而且经过封装，PCB等链路，相当于经过了一些低通滤波器，最终得到的信号都是相对低频的成分。所以不管我们是评估芯片上去耦网络设计，还是封装上PDN去耦网络设计，亦或是单板PDN网络的设计，我们使用示波器测试的大多都是一些相对低频的噪声成分。我们测量到的越高频的PDN噪声与芯片实际的PDN噪声差别越大。通常高频的噪声会通过测量抖动等方法进行评估，这个留作以后讨论。所以通常进行PDN噪声测量时，我们在示波器上选择200MHz带宽即可。

当然如果要测量PDN上的串扰（从一个电源耦合到邻近电源上的噪声），或者测量由时钟信号泄漏到PDN网络上的噪声时，会更关注噪声频率，而且有可能会有一些高频的噪声成份，这种情况下一般会使用频谱分析仪来分析。

示波器

首先需要明确的是，测量PDN噪声，我们需要使用实时示波器（如果对实时示波器和采样示波器分类还不太清楚的同学，请参见我之前的文章《示波器介绍》）。因为通常情况下的PDN噪声是随机和不相关的，这种场景不适合采样示波器。对于带宽来说倒不是特别的重要，有几百MHz的带宽足以。

对于示波器最需要关注的就是前端ADC的有效位宽，因为通常的高速示波器的前端ADC的有效位宽都比较小，所以对于PDN噪声测量，不一定需要很高带宽的示波器。前端ADC的有效位宽，说直接一点就是示波器测量的垂直精度。比如一些高带宽的示波器的最高垂直精度为10mv/div，而对于一个1GHz带宽的示波器来说，垂直精度很容易做到1mv/div或者2mv/div。比如我使用的Teledyne LeCroy SDA6000的垂直精度就是2mv/div。

探头

对于PDN噪声测量，示波器选择其实比较简单，可选的范围比较广，但是对于探头的选择就没有那么容易了。

根据前面示波器探头部分的介绍，我们知道如果采用高阻抗探头，比如10x的示波器探头，这样也使得示波器最小分辨率增大了10倍。通常芯片的电源纹波只有几十个mV，而示波器的最小分辨率通常也在1-5mV，如果使用10x探头，会使得最终测试系统的最小分辨率变为10mV以上，使得我们的测量精度受到很大的影响。所以采用10x的被动式探头不是测量电源纹波的可取方案。

当然，你可以选择1x的被动探头。但是这种探头通常会有很长的地线，在探头部分我们讨论过，过长的地线使得测量系统有很大的回路，相当于一个天线，引入很多测量噪声。我们可以使用一些coaxial插座来减小地回路。另外一个问题是，这时探头的阻抗通常会是1Mohm，示波器也需要设置为1Mohm，过高的收入阻抗也会影响测量精度。

因为PDN网络的阻抗通常比较低，所以我们可以使用50 ohm的同轴线缆coaxial连接到示波器，示波器选择50 ohm输入阻抗即可。因为50 ohm的阻抗相对于PDN网络来说也是比较大的，测量不会对电源网络信号产生什么影响。而且同轴线缆可以有很好的屏蔽以及很小的信号地回路。

使用同轴电缆有一个问题是偏置电压可能最终影响测量精度。因为示波器的offset对测量精度会有一些限制。我们通常会使用一个DC-Block（隔直电容）。当然这个隔直电容尽量选择能够保留更多低频信号的隔直电容。通常的隔直电容选择可以参考如下图所示。

隔直电容选择

在《What's the Best Method for Probing a PDN?》中，Istvan Novak使用了三种不同的探头方案，如下图所示：

带有长地线的高阻抗被动探头使用同轴插头的高阻抗被动探头coaxia制成的探头

三种方案测得的波形如图所示：

带有长地线的高阻抗被动探头测得的PDN噪声使用同轴插头的高阻抗被动探头测得的PDN噪声使用coaxia制成的探头测得的PDN噪声

我们可以看到使用DC-Block加同轴电缆测得的PDN噪声最小，也就是这种方法引入的测量噪声最小。另外，在进行PDN噪声测量时，不要选择在去耦电容上进行测量，详情请大家阅读Istvan Novak的另一篇大作《Do not measure PDN noise across capacitors!》