电源噪声是电磁搅扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz，最高可达150MHz。电源噪声，特别是瞬态噪声搅扰，其上升速度快、继续时刻短、电压振起伏高、随机性强，对微机和数字电路易发生严峻搅扰。
示波器频域剖析在电源调试的运用
本文谈到这么多年来最受重视的电源噪声丈量问题，有最有用的经历总结，有实测事例佐证，有仿真剖析相结合。
在电源噪声的剖析进程中，比较经典的办法是运用示波器调查电源噪声波形并丈量其幅值，据此判别电源噪声的来历。可是跟着数字器材的电压逐步下降、电流逐步升高，电源规划难度增大，需求运用愈加有用的测验手法来评价电源噪声。本文是运用频域办法剖析电源噪声的一个事例，在调查时域波形无法定位毛病时，经过 FFT（快速傅立叶改换）办法进行时频转化，将时域电源噪声波形转化到频域进行剖析。电路调试时，从时域和频域两个视点分别来检查信号特征，能够有用地加快调试进程。
在单板调试进程中发现一个网络的电源噪声到达80mv，现已超越器材要求，为了确保器材能够安稳作业有必要下降该电源噪声。
在调试该毛病前先回忆下电源噪声按捺的原理。如下图所示，电源分配网络中不同的频段由不同的元件来按捺噪声，去耦元件包括电源调整模块（VRM）、去耦电容、PCB电源地平面临、器材封装和芯片。VRM包括电源芯片及外围的输出电容，大约效果于DC到低频段（100K左右），其等效模型是一个电阻和一个电感组成的二元件模型。去耦电容最好运用多个数量级容值的电容合作运用，充沛掩盖中频段（数10K到100M左右）。因为布线电感和封装电感的存在，即时很多堆砌去耦电容也难以在更高频起到效果。PCB电源地平面临形成了一个平板电容，也具有去耦效果，大约效果在数十兆。芯片封装和芯片担任高频段（100M 以上），现在的高端器材一般会在封装上添加去耦电容，此刻PCB上的去耦规模能够下降到数十兆乃至几兆。因而，在电流负载不变的情况下，咱们只需判别出电压噪声呈现在哪个频段，那么针对这个频段所对应的去耦元件进行优化即可。在两个去耦元件的相邻频段时两个去耦元件会合作效果，所以在剖析去耦元件临界点时相邻频段的去耦元件也要一起归入考虑。
依据传统电源调试经历，首要在该网络上添加了一些去耦电容，添加电源网络的阻抗余量，确保在中频段的电源网络阻抗都能满意该运用场景的需求。成果纹波仅下降几mV，改进微乎其微。发生这个成果有几个或许：1、噪声处在低频，并不在这些去耦电容起效果的规模内；2、添加电容影响了电源调节器VRM的环路特征，电容带来的阻抗下降与VRM的恶化抵消了。带着这个疑问，咱们考虑运用示波器的频域剖析功用来检查电源噪声的频谱特性，定位问题本源。
示波器的频域剖析功用是经过傅立叶改换完成的，傅立叶改换的本质是任何时域的序列都能够表明为不同频率的正弦波信号的无限叠加。咱们剖析这些正弦波的频率、幅值和相位信息，便是将时域信号切换到频域的剖析办法。数字示波器采样到的序列是离散序列，所以咱们在剖析中最常用的是快速傅立叶改换（FFT）。FFT 算法是对离散傅立叶改换（DFT）算法优化而来，运算量减少了几个数量级，而且需求运算的点数越多，运算量节省越大。
示波器捕获的噪声波形进行FFT改换，有几个要害点需求留意。
1、依据耐奎斯特抽样规律，改换之后的频谱展宽（Span）对应与原始信号的采样率的1/2，假如原始信号的采样率为1GS/s，则FFT之后的频谱展宽最多是500MHz；
2、改换之后的频率分辨率（RBW Resolution Bandwidth）对应于采样时刻的倒数，假如采样时刻为10mS，则对应的频率分辨率为100Hz；
3、频谱走漏，即信号频谱中各谱线之间彼此搅扰，能量较低的谱线简单被接近的高能量谱线的走漏所吞没。防止频谱走漏能够尽量收集速率与信号频率同步，延伸收集信号时刻及运用恰当的窗函数。
电源噪声丈量时不要求较高的采样率，所以能够设置很长的时基，这也意味着收集的信号时刻能够满意长，能够以为掩盖到了整个有用信号的时刻跨度，此刻不需求添加窗函数。调整以上设置能够得到比较精确的FFT改换曲线了，再经过zoom功用检查感兴趣的频点。如下图中电源噪声的首要能量会集在11.3KHz左右，并以该频率为基波频率谐振。据此能够揣度本PDN网络在11.3KHz处的阻抗不能满意要求，电容在该频点的阻抗也比较高，起不到下降阻抗的效果，所以前面添加电容并不能减小电源噪声。
一般来说，11.3KHz应该是VRM的统辖规模，此处呈现较大噪声阐明VRM电路规划不能满意要求。这儿对VRM的功用进行剖析，VRM剖析的办法很多，此处首要选用仿真其反应环路波特图的手法。波特图首要调查几个要害信息：1、穿越频率，增益曲线穿越0dB线的频率点；2、相位裕度，相位曲线在穿越频率场所对应的相位值；3、增益裕度，相位在-360°时所对应的增益值。这儿咱们首要重视穿越频率和相位裕度这两个目标。从VRM的环路波特图（如下图a）能够看到，VRM的穿越频率在8KHz左右，相位裕度37度。这儿存在两个问题：首要VRM的相位裕度一般需求大于45度才干确保环路的安稳作业，这儿相位裕度稍小一些，需求添加相位裕度；其次穿越频率太低，穿越频率邻近VRM的调整效果逐步下降，而此频点bulk%&&&&&%还起不到效果，所以在8KHz邻近会存在较高的阻抗，这个频点的噪声按捺效果较差。下图（b）是优化VRM环路之后的波特图，调整相位裕度到50度，穿越频率推到46KHz左右。
对优化后的VRM验证纹波，能够看到纹波显着下降到33mv，能够满意器材要求。
上述事例是运用示波器FFT功用快速定位电源问题的进程，从这个比如能够看到示波器的频域剖析功用在电路调试时能够发挥很大效果。示波器的FFT功用合作长存储深度能够很方便地剖析低频率长周期信号，这个优势在数字电路调试中比较突出。
