芯片的供電環路從穩壓模塊VRM開始，到PCB的電源網絡，芯片的ball引腳，芯片封裝的電源網絡，最后到達die. 當芯片工作在不同負載時，VRM無法實時響應負載對電流快速變化的需求，在芯片電源電壓上產生跌落，從而產生了電源噪聲。對于電源會產生和開關頻率一致的電源紋波，始終疊加在電源上輸出。

如圖所示輸出電壓的波形，包含開關的紋波，負載跳變的引起的跳變，還有耦合進來的噪聲。

測量輸出的紋波時，應將探頭放置于輸出電容處，避免噪聲的耦合。在沒有負載跳變時，可以限制帶寬，得到比較干凈的紋波波形。

測試波形如下圖：

為避免過多的噪聲耦合到紋波測試，應用盡可能小的環路，避免耦合的噪聲過大。一般的示波器探頭不能直接使用，需用專用示波器探頭或者使用同軸電纜小環;并且測量點應在電源輸出端上，若測量點在負載上則會造成極大的測量誤差。

測量輸出的紋波時，應將探頭放置于輸出電容處，避免噪聲的耦合。在沒有負載跳變時，可以限制帶寬，得到比較干凈的紋波波形。

噪聲的來源

電源紋波和電源噪聲是兩種不同類型的電源問題，它們有著不同的特征和來源。

電源紋波：

定義：電源紋波是指電源輸出中的交流波動或波紋。它是由電源本身的設計、負載變化或其他外部因素引起的。

特征：通常以毫伏（mV）為單位進行測量。紋波是在直流電平上的小幅波動，其頻率可以因電源設計、交流干擾等原因而異。

來源：開關電源本身的開關特性形成的。開關電源的紋波是指，疊加在開關電源輸出電壓上，頻率與開關頻率一致的交流量，其產生原因是開關電源的電流紋波作用在電容的ESR上。

影響：電源紋波若超出規定范圍可能影響電子設備的正常運行，尤其對于需要穩定電源的精密設備，如計算機、通信設備和實驗室設備，這可能是一個關鍵問題。

紋波測量：用同軸電纜從電源模塊上引出輸出，接到隔直板上，然后再通過同軸電纜接入示波器。示波器阻抗選擇50歐姆，AC耦合，帶寬限制在20MHz，然后進行測量與讀數。測出的波形一般近似于三角波。其實也可以使用無源探頭進行測量。

電源噪聲：

定義：電源噪聲是電源輸出中存在的隨機、不期望的電壓或電流波動，與電源紋波不同，它不一定是規律的周期性波動。

特征：電源噪聲可以包含各種頻率范圍內的干擾和雜波，從幾赫茲到幾十千赫茲不等。其振幅和頻率可能不穩定或變化較大。

來源：電源噪聲可以來自于許多方面，包括電源電磁干擾、開關電源的開關頻率、電源線路中的干擾、設備內部的互相干擾等。噪聲一般是指全帶寬下輸出電壓上疊加的交流量，包含紋波。

影響：電源噪聲可能導致設備性能下降，對靈敏的電子元件和信號傳輸有干擾，可能會產生雜音、圖像不清晰、通信干擾等問題。

噪聲測量：將示波器的帶寬限制取消，其余配置相同，然后進行測量與讀數。

總的來說，電源紋波是在電源輸出中的周期性波動，而電源噪聲是更為隨機的、不規律的干擾。雖然兩者都是電源質量問題，但其性質和影響略有不同，需要采取不同的方法來檢測、衡量和解決。

如何提高芯片噪聲測量的準確性

目前芯片的工作頻率越來越高，工作電壓越來越低，工作電流越來越大，噪聲要求也更加苛刻。對于要求低噪聲的電源測試非常具有挑戰，影響其測量準確性的主要有如下幾點：

（1）示波器通道的底噪；

（2）示波器的分辨率（示波器的ADC位數）；

（3）示波器垂直刻度最小值（量化誤差）；

（4）探頭帶寬；

（5）探頭GND和信號兩個測試點的距離；

（6）示波器通道的設置；

在測試電源噪聲時，要求如下條件：

（1）需要在重負載情況下測試電源紋波；

（2）測試電源紋波時應該將CPU、GPU、DDR頻率鎖定在最高頻；

（3）測試點應該在SINK端距離PMU最遠的位置；

（4）測試點應該靠近芯片的BALL；

（5）帶寬設置為全頻段；

（6）示波器帶寬大于500MHz；

（7）噪聲波形占整個屏幕的2/3以上或者垂直刻度已經為最小值；

（8）探頭地和信號之間的回路最短，電感最小；

（9）測試時間大于1min，采樣時間1ms以上，采樣率500Ms/s以上；

（10）紋波噪聲看Pk-Pk值，關注Max、Min值；

在測量電源紋波時，通常使用示波器探頭進行測試。無源探頭、有源探頭和同軸電纜都有各自的用途和優勢，取決于具體的測量需求。

無源探頭：

無源探頭是一種簡單的探頭，不需要外部電源供應。它通常用于測量較小幅度的信號，并且對被測電路的影響較小。

適用于一般的信號測量，但在一些需要更高增益或精確度的情況下可能不夠。

帶寬特點：一般而言，無源探頭的帶寬較窄，一般在幾十MHz至低GHz的范圍內。這意味著它們可以適用于一般的信號測量，但對于高頻率的電源紋波或噪聲，可能帶寬不足以有效捕獲所有頻率成分。

有源探頭：

有源探頭包含一個內置的放大器，可以提供更高的增益，并且對信號的捕捉更為敏感。它們通常用于測量微弱信號或高頻信號。

這些探頭需要外部電源供應。它們對被測電路的影響也相對較小。

帶寬特點：有源探頭通常具有更寬的帶寬范圍，可以覆蓋從幾百MHz到數GHz的范圍。這使得有源探頭能夠更有效地捕獲高頻率的電源紋波和噪聲。

昂貴且容易損壞：弄壞高帶寬有源探頭，損失一輛小汽車

同軸電纜：

同軸電纜可用于連接示波器和被測電路，提供較好的屏蔽和抗干擾能力。

在一些需要減小干擾或長距離測量的情況下，同軸電纜可能是一個不錯的選擇。

帶寬特點：同軸電纜可以提供較好的抗干擾能力，其帶寬范圍廣泛，可以覆蓋從幾十MHz到數GHz的范圍。這使得同軸電纜適用于傳輸和連接高頻信號。

在測量電源紋波時，通常可以使用無源探頭或有源探頭。選擇探頭取決于需要測量的紋波幅度大小、頻率范圍，以及對電路干擾的容忍度。通常情況下，無源探頭可以勝任大多數電源紋波的常規測量，但若需要更高靈敏度或更小幅度的波動測量，則有源探頭可能更合適。使用同軸電纜可以在長距離傳輸信號或需要較強抗干擾能力時提供更可靠的連接。

我們在測試紋波的時候，希望能夠測試準確，不希望其他頻段的干擾引入導致測試數據異常。所以用同軸電纜或者探頭測試紋波的時候，地線的處理都尤為關鍵，否則會通過地線引入不必要的噪聲。

在圖所示的示例中，測試者犯了兩個錯誤。他的第一個錯誤是使用了一支帶長接地引線的示波器探針；他的第二個錯誤是將探針形成的環路和接地引線均置于電源變壓器和開關元件附近；他的最后一個錯誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問題在紋波波形中表現為高頻拾取。在電源中，存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號電壓和電流波形，其中包括耦合自電源變壓器的磁場，耦合自開關節點的電場，以及由變壓器互繞電容產生的共模電流。

DC/DC模塊的電源紋波指標是一項很重要的參數。干凈的電源是數字電路穩定工作的前提，也是模擬器件的各項參數的重要保障。為確定電源的質量，必須對DC/DC模塊的輸出紋波進行測量。但很多人測量得到的紋波值動輒上百mV，甚至幾百mV，遠遠比器件手冊提供的最大紋波值大，這主要是測量方法的不正確造成的。

正確的測量方法

1)限制示波器帶寬為20MHz(大多中低端示波器檔位限制在20MHz，高端產品還有200MHz帶寬限制的選擇)，目的是避免數字電路的高頻噪聲影響紋波測量，盡量保證測量的準確性。

2)設置耦合方式為交流耦合，方便測量(以更小檔位來仔細觀測紋波，不關心直流電平).

3)保證探頭接地盡量短(測量紋波動輒上百mV的主要原因就是接地線太長)，盡量使用探頭自帶的原裝測試短針。如果沒有測試短針，可以拆除探頭的接地線和外殼，露出探頭地殼，自制接地線纏繞在探頭地殼上，保證接地線長度小于1cm。

4)示波器地懸空，只通過探頭地與測試信號的參考點共地，不要通過其他方式與測試設備共地，這樣會給紋波測量引入很大的地噪聲。例如：當示波器和其他儀器共插線板時，其他儀器的開關可能通過接地線給測試帶來噪聲干擾。

地線過長，導致測試結果明顯不正確。

探頭的GND和信號兩個探測點的距離也非常重要，當兩點相距較遠，會有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號回路中（如下圖所示），示波器觀察的波形包括了其他信號分量，導致錯誤的測試結果。所以要盡量減小探頭的信號與地的探測點間距，減小環路面積。

在隔離電源中，會產生大量流經探針接地連接點的共模電流。這就在電源接地連接點和示波器接地連接點之間形成了壓降，從而表現為紋波。要防止這一問題的出現，我們就需要特別注意電源設計的共模濾波。另外，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周圍也有助于最小化這種電流。這樣就形成了一個共模電感器，其在不影響差分電壓測量的同時，還減少了共模電流引起的測量誤差。下圖顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進的測量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。

1.有條件的話使用隔直板+同軸電纜的配置，同軸電纜能很好的抑制空間中的輻射。

2.單純使用示波器測量的話，地線夾要盡可能短，并繞在探針上，即成環最小；有條件的話，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁芯上。

3.最好直接測量電源模塊的輸出引腳。

使用同軸電纜

電源紋波應該采用同軸電纜測試

同軸電纜測試的結果較為準確，且受到人為因素的影響較小（焊接在單板上結果較穩定）；缺點為測試需要焊接，若測試點較多，耗費時間較長，若操作不甚，還有可能會損壞單板。

同軸電纜測試工作原理圖如下：

測試點選擇

焊接位置選取靠近被測對象的濾波電容處（即離芯片管腳最近，條件允許的情況下，優先選取背面的電容進行測試，靠近芯片管腳是為了更真實的測到負載的情況），如有空焊盤亦可選取

測試時，測試點盡量選取小電容作為測試點；現在所用電容，特別是BGA的去耦電容，封裝都比較小，一般為0201。為方便測試，可在電纜上焊接不大于0.5cm的漆包線，地線可以選擇最近的地 。

若被測對象同一網絡電源管腳較分散，一般盡量選取靠近負載且離電源源端較遠的點，如果同一網絡分散在芯片周圍，應至少選取兩個離電源源端較遠的點進行測試。

示波器的設置

測試項解讀：

測試項 MAX：當前屏幕波形中的最大值。

測試項 MIN：當前屏幕波形中的最小值。

測試項 PK-PK：當前屏幕波形中的峰峰值。

圖中每一個測試項有五個值，第一個值為當前屏幕的值，第二個值μ為RUN到STOP的統計平均值，第三個值m為RUN到STOP的統計最小值，第四個值M為RUN到STOP的統計最大值，第五個值σ為標準差，上面Acqs為統計次數。

紋波讀取MAX,MIN,PK-PK的值（MAX PK-PK記錄最大值，MIN記錄最小值），上圖中，噪聲的PK-PK值為32mv，MAX值為16mv，MIN值為-18.4mv。

同軸線外部隔直電容DC50歐耦合測試

由于無源探頭的帶寬較低，而電源開關噪聲一般都在百MHz以上，同時電源內阻一般在幾百毫歐以內，選擇高阻1Mohm的無源探頭對于高頻會產生反射現象，因此可以選擇用同軸線來代替無源探頭，此時示波器端接阻抗設置為50歐，與同軸線阻抗相匹配，根據傳輸線理論，電源噪聲沒有反射，此時認為測量結果最準確。

利用同軸線的測量方法，最準確的是采用DC50歐，但是大部分示波器在DC50歐時offset最大電壓為1V，無法滿足大部分電源的測量要求，而示波器內部端接阻抗為50歐時，不支持AC耦合，因此需要外置一個AC電容，如圖6所示，當串聯電容值為10uF時，根據表1可以看到，此時可以準確測試到2KHz以上的紋波噪聲信號。

圖 6 同軸線DC50測量圖

同軸線AC1M歐耦合測試

由于從PMU出來的電源紋波噪聲大多集中在1MHz以內，如果采用同軸線DC50外置隔直電容測量方法，低頻噪聲分量損失較為嚴重，因此改用圖所示的測量方法，利用同軸線傳輸信號，示波器設置為AC1M，這樣雖然存在反射，但是反射信號經過較長CABLE線折返傳輸后，影響是有限的，示波器在R2上采集電壓值可以認為仍然可以被參考。

同軸線AC1M測量圖

為了避免反射，在同軸線接到示波器的接口處端接一個50ohm電阻，使示波器輸入阻抗和cable線特征阻抗匹配。

同軸線AC1M測量改進圖

審核編輯：湯梓紅