R&S MXO 系列示波器：實現精準的電源時序與漣波雜訊分析

現代電子設計中的電源完整性：挑戰與量測需求

現今複雜的電路設計必須整合多個使用不同功率等級的元件，而要確保這些元件之間的互通性與運作穩定性，一個穩健的電路需要精心設計、乾淨且穩定的電源分配網路（Power Distribution Network，PDN）來進行電源時序控制 。

隨著半導體製程的演進，FPGA、SoC 與 ASIC 等高密度晶片的供電電壓持續降低，但其內部邏輯閘的數量與切換速度卻不斷提升，這導致了電源完整性（Power Integrity，PI）的挑戰日益嚴峻，這些挑戰不僅是單一面向的，而是相互關聯且會因系統整合而加劇的，在現代系統單晶片（SoC）中，一個看似微小的電源問題，就可能引發連鎖反應，導致整個系統失效，例如：電源時序的錯誤不僅可能直接損壞元件，更可能在啟動過程中於已啟動的電源軌上引發暫態雜訊，這種雜訊接著會耦合至由該電源軌供電的敏感電路（如相位鎖定迴路），進而產生時脈抖動，影響高速資料傳輸的穩定性；同時，隨著晶片上整合的功能區塊越來越多，電源域的數量也隨之暴增，一個高階的 FPGA 可能需要多達 10 組或更多的獨立電源軌，這使得電源啟動與關斷的時序組合呈現指數級增長，大幅提高了潛在的故障風險；因此，電源完整性已從傳統的元件級考量，演變為一個涵蓋時間、電壓與頻率三個維度的複雜系統架構挑戰，任何一個環節的疏漏都可能導致昂貴的設計修改與產品上市延遲 。   

在較低的電壓水平下，容許誤差通常以百分比定義，例如 1% 至 2%，這使得精確的量測變得極具挑戰性，微小的電壓漣波或雜訊，在傳統的量測儀器中很容易被儀器本身的底噪所掩蓋，導致工程師無法準確判斷電源軌的真實品質；此外，不正確的電源時序是導致半導體元件發生 閂鎖（Latch-up） 現象的主要原因之一，當多個電源軌未按規定順序啟動時，可能在 CMOS 元件內部形成非預期的反向偏壓，觸發由 pnp 與 npn 電晶體構成的寄生可控矽整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR）結構，一旦此寄生結構被觸發導通，就會在電源與接地之間形成一個低阻抗路徑，引發過大的電流，這種狀態即使在觸發源消失後仍會持續，通常需要完全的電源重啟才能解除，嚴重時甚至會永久性損毀晶片或其他關鍵零組件；這些潛在的故障模式不僅會導致產品功能異常，更可能引發昂貴的產品召回與商譽損失，凸顯了在設計初期進行精確電源完整性驗證的絕對必要性 。   

您的任務，是確保電路設計的電源啟動或關斷過程至關重要，以確保裝置行為正常，並確保零件和元件在預期的電壓條件下正常運作，示波器是檢查電源軌序列中時序行為的理想工具，然而，典型的 4 通道示波器在分析複雜電路時僅能提供有限的分析能力，當面對擁有多達十幾組電源軌的複雜系統時，僅有四個通道顯然不足以同時監控所有關鍵電源的互動關係，此外，較小的電源軌電壓和更嚴格的 1% 至 2% 容許誤差，常常使得儀器因其本身的儀器和探棒雜訊而難以提供準確的量測結果，快速切換的負載和高頻雜訊耦合也可能引發問題，尤其是在 EMI（Electromagnetic Interference）議題上 。

在各電源軌之間設定時序延遲，是為了確保不同電路部分在啟用前，能獲得穩定的供電。

R&S® MXO 系列：為電源分析而生的新世代架構

Rohde & Schwarz 的解決方案是 MXO 5 系列示波器，它透過簡化對不同電源軌的探測，使電源時序分析變得更加容易，其八個類比通道和 16 個邏輯通道表示該示波器能夠滿足多樣化的擷取需求，從而對多個電源軌進行全面的洞察，憑藉業界最深的每通道 500 Mpoints 標準記憶體，該示波器非常適合擷取毫秒範圍的電源啟動／關斷序列，同時為訊號細節保持高取樣解析度 。

在漣波雜訊分析中，透過降低頻寬，12-bit ADC 的取樣可以增強至 18-bit 高解析度（High Definition，HD）模式，以進行精確的量測，該儀器的高輸入靈敏度 500 µV/div 和 ±5 V 的廣泛偏移範圍，讓使用者能夠在最高的垂直靈敏度設定下，檢視 50 V 的直流電源軌（使用 10:1 探棒），透過利用增強的前端效能，MXO 架構使用基於取樣的觸發器，其靈敏度達到驚人的 <0.0001 垂直格，為隔離微弱訊號異常提供了前所未有的能力 。   

MXO 在高靈敏度與較大偏移條件下的前端性能表現

核心架構：12-bit ADC 與 18-bit HD 高解析度模式

MXO 系列示波器的核心優勢在於其訊號擷取架構，它在所有取樣率下均採用 12-bit ADC（Analog-to-Digital Converter），完全顛覆了傳統示波器普遍採用的 8-bit ADC 架構，一個 8-bit ADC 只能將類比電壓量化為：

個離散的數位階級，而 12-bit ADC 則能提供：

個階級，解析度提升了整整 16 倍 。

對於電源完整性量測而言，這種解析度的提升至關重要，當分析一個標稱值為 3.3 V 的電源軌上的微小漣波時，8-bit 系統的量化階級可能比漣波本身的峰對峰值還要大，導致訊號細節被量化雜訊所淹沒，最終呈現出不自然的階梯狀波形，而 12-bit 系統則能精確地描繪出漣波的真實輪廓 。   

更進一步，MXO 系列獨有的 HD 模式透過硬體數位濾波技術，將垂直解析度提升至業界領先的 18-bit，相當於：

個量化階級 。

此模式允許使用者在頻寬與解析度之間進行權衡，對於電源漣波這類通常頻率較低的訊號，適度降低量測頻寬以換取極高的垂直解析度，是實現精準量測的理想策略 。這種架構上的優勢，使得 MXO 系列能夠清晰地呈現出以往被儀器底噪所掩蓋的微伏級訊號細節，為工程師提供最真實的電源軌品質圖像。   

特點	傳統 8-bit ADC	R&S® MXO 12-bit ADC (標準模式)	R&S® MXO 18-bit HD 模式
量化階級	256	4,096	262,144
1V 範圍內的垂直解析度	3.9 mV	244 µV	3.8 µV
理論上最小可偵測電壓	較高，受限於量化雜訊	顯著降低	極低，能解析微伏級訊號
5mV 漣波的波形呈現	階梯狀，細節失真	平滑，準確反映輪廓	極度精細，完整保留細節
電源完整性分析適用性	有限，僅適用於較大漣波	優異，適用於多數應用	卓越，適用於嚴苛的低雜訊量測

前端效能：500 µV/div 高靈敏度與 ±5 V 大範圍偏移

為了充分發揮高解析度 ADC 的潛力，一個低雜訊、高靈敏度的前端放大器是不可或缺的，MXO 系列示波器提供了高達 500 µV/div 的垂直靈敏度，並且在全頻寬下皆可使用，確保在觀測微弱訊號時不會犧牲量測頻寬 。然而，僅有高靈敏度並不足以應對電源軌量測的挑戰，因為待測的微小漣波通常疊加在一個較大的直流電壓之上，例如，在一個 3.3 V 的電源軌上量測 10 mV 的漣波。   

MXO 系列的獨特之處在於其將高靈敏度與 ±5 V 的超大內建直流偏移範圍相結合 。這使得工程師能夠在DC 耦合模式下，先利用偏移功能將 3.3 V 的直流成分從螢幕中心「移開」，然後將垂直刻度調整至 mV/div 等級，從而將微小的漣波訊號放大至整個螢幕範圍進行精細觀測，這種作法避免了使用 AC 耦合，因為 AC 耦合會濾除所有低頻與直流資訊，使得如負載變化引起的電壓下垂（Droop）或直流漂移等重要的電源穩定性指標無法被觀測到，MXO 的架構確保了在最大化利用 ADC 動態範圍的同時，仍能捕捉到電源軌最完整的動態行為。   

透過對漣波雜訊進行頻譜分析，可以找出其雜訊由哪些頻率所組成。

超高靈敏度數位觸發系統

觸發系統是示波器的靈魂，其性能直接決定了儀器捕捉異常事件的能力，傳統的類比觸發系統在處理疊加在較大直流偏壓上的微小訊號時，其靈敏度與穩定性往往受到限制，MXO 系列採用了先進的數位觸發架構，直接對 ADC 輸出的數位取樣流進行即時分析，以判定觸發條件 。   

這種架構帶來了兩大革命性優勢，首先是無與倫比的觸發靈敏度，MXO 的觸發靈敏度高達 0.0001 垂直格，比傳統類比觸發系統高出數千倍，這表示它能夠在一個 5 V 的訊號上，穩定地觸發一個僅數百微伏的微小突波 。其次，數位觸發系統的觸發路徑與訊號擷取路徑完全一致，工程師可以將HD 模式下的高解析度濾波同樣應用於觸發判斷，有效濾除雜訊對觸發穩定性的干擾，確保僅對真實的訊號異常進行觸發，結合<1 ps 的超低觸發抖動，MXO 能夠精確且重複地隔離出電源軌上最細微、最偶發的異常事件，而這些事件正是導致系統不穩定的潛在根源 。   

業界標準的 500 Mpoints/通道深度記憶體

在進行電源時序分析時，擷取時間的長度至關重要，一個完整的系統啟動或關斷序列可能持續數百毫秒甚至數秒之久 。示波器的擷取能力受到一個基本公式的制約：   

取樣率 = 記憶體深度 / 擷取時間 這代表著在固定的記憶體深度下，若要擷取更長的時間，就必須犧牲取樣率。   

傳統示波器的標準記憶體通常較淺，這迫使工程師在觀測長時序事件時大幅降低取樣率，如此一來，雖然能夠看到整個時序的輪廓，但卻可能因為取樣點間隔過大，而錯失時序過程中發生的高頻突波（Glitches）或雜訊尖峰（Noise Spike）。

MXO 5 系列標配了業界領先的每通道 500 Mpoints 深度記憶體，徹底解決了這一困境，如此龐大的記憶體容量，讓工程師即使在擷取長達數百毫秒的電源序列時，依然能維持GS/s 等級的高取樣率，這不僅確保了不會遺漏任何高頻異常事件，也為後續的縮放分析提供了極高的解析度 。   

多通道觀測能力：8 個類比與 16 個數位通道

現代電子系統的複雜性源於其眾多元件與電源軌之間的緊密互動，僅僅分析單一電源軌的行為是遠遠不夠的，例如，一個 FPGA 的正常啟動，需要核心電壓（Core Voltage）、輔助電壓（AUX Voltage）與 I/O 電壓等多個電源軌遵循嚴格的時序關係 。   

MXO 5 系列提供的 8 個類比通道，完美地滿足了這種多軌同步觀測的需求，工程師可以同時探測多個關鍵電源軌，在同一個時間基準下，直觀地分析它們之間的延遲、斜率以及相互影響，這對於除錯複雜的時序問題至關重要；此外，16 個數位邏輯通道的加入，更將分析能力從類比領域擴展至數位控制層面，工程師可以同時監測如致能（Enable）、電源良好（Power Good）等關鍵控制訊號的狀態，並將其與類比電源軌的行為進行精確的時間關聯，從而實現對整個電源系統的完整、系統級除錯 。   

電源時序量測實務考量

精確的電壓位準與特定的時序對於電路功能至關重要，電源時序作為電路的基本測試，在探測和比較多個電源軌時可能是一個繁瑣的過程，雖然這裡可以使用邏輯通道，但它們的細節有限，僅能根據一個閾值指示 1 或 0，增加類比通道的數量更有利於捕捉轉換細節 。   

龐大的記錄長度非常重要，尤其是在觀測數百毫秒甚至數秒（對於高功率電路）的情況下，更長的記錄長度對於足夠的放電時間和對電源序列動態的徹底評估至關重要，在電源分配網路中，較低的直流電源軌是從較高的電源派生出來的，需要時間穩定後才能被調節到更小的電源軌。   

深度記憶體不僅僅是為了擷取「更多」的資料，其更深層的價值在於能夠擷取一個因果關係完整的資料集，在複雜的電源啟動序列中，一個電源軌上出現的突波（症狀）往往是由另一個完全不同的電源軌上更早發生的事件（根本原因）所引發的，淺記憶體示波器迫使工程師必須在多個可能相關的事件中選擇一個進行擷取，這無疑切斷了事件之間的因果鏈，使得問題追溯變得極為困難；例如：一個核心電壓軌在啟動序列的第 50 ms 處出現不穩定（症狀），若使用淺記憶體示波器觸發於此，其擷取緩衝區可能只包含了 45 ms 到 55 ms 之間的資料，工程師只能看到症狀，卻對之前發生的事情一無所知。

相比之下，MXO 的 500 Mpoints 深度記憶體能夠完整記錄下例如 0 至 500 ms 的整個啟動過程，工程師可以在單次擷取的資料中自由「回溯時間」，進而發現，在第 10 ms 時，某個輔助電源軌曾出現嚴重的過衝（Overshoot）（根本原因），這個過衝對共享元件造成了壓力，最終導致了核心電壓軌後續的不穩定，因此，深度記憶體將除錯工作流程從一系列孤立的「快照」轉變為一段連續的「錄影」，完整保留了高效根本原因分析所必需的關鍵時序關係，這代表了除錯方法學上的一次根本性轉變 。   

漣波雜訊量測實務考量

在量測漣波雜訊時，應注意避免向設定中注入額外的雜訊，短而直接的連接有助於最小化干擾，同軸電纜可以為任何量測提供低電感的設定 。   

頻寬設定的權衡：精準與雜訊的平衡

在確定電源完整性時，頻寬是一個重要因素，具有較高頻寬的量測系統總是會捕捉到更高的雜訊水平，識別感興趣的頻率範圍並在量測設備上選擇適當的量測頻寬和濾波器設定，對於捕捉相關的頻率成分同時濾除不必要的雜訊和諧波至關重要 。   

電源轉換電路通常具有 1 MHz 的切換頻率，因此，20 MHz 的頻寬足以對回饋控制迴路進行穩定性分析 。同時，也有一種趨勢是使用更高的頻寬（在千兆赫茲範圍內）來特性分析電源漣波雜訊，這一趨勢強調了對高頻負載變化的分析 。R&S®RT-ZPR 電源軌探棒可提供高達  4 GHz 的分析頻寬。

頻譜分析的洞察力：硬體加速 FFT 的革命性應用

頻譜分析可以提供額外的洞察力，幫助識別電源漣波的頻率成分，精確定位特定的雜訊來源並有效地解決它們 。MXO 示波器具有強大的頻譜分析功能，更新率高達 45000 FFT/s，這種快速的更新率為 EMI 分析中難以捉摸和偶發的事件創造了響應迅速的頻譜雜訊視圖 。   

傳統示波器中的 FFT（Fast Fourier Transform）功能通常由軟體在主處理器上執行，計算過程耗時，導致更新率極低，通常每秒不足 100 次 。這種緩慢的反應使得在進行 EMI 除錯時，工程師很難將頻譜上的雜訊峰值與時域波形上的特定事件（如開關管的導通瞬間）即時關聯起來，使用近場探棒「嗅探」雜訊源時，使用者體驗也相當不佳，往往需要在一個位置停留數秒才能等到一次頻譜更新，效率低下且容易錯過偶發性輻射 。   

MXO 系列示波器內建了專用的 MXO-EP ASIC 晶片，實現了 FFT 的硬體加速，將更新率提升至驚人的 >45,000 FFT/s，這一技術突破將 FFT 從一個靜態的後處理分析工具，轉變為一個動態、即時的除錯利器，當工程師使用近場探棒掃描電路板時，頻譜顯示會即時更新，雜訊源的位置與強度一目了然，極大地縮短了 EMI 問題的定位時間，這種即時性代表儀器的盲區時間（Blind Time）被大幅縮短，捕捉到偶發、瞬態頻譜事件的機率顯著提高，為解決複雜的雜訊耦合問題提供了前所未有的洞察力。   

特點	傳統軟體 FFT	R&S® MXO 硬體加速 FFT
更新率	< 100 FFT/s	> 45,000 FFT/s
盲區時間	高，容易錯失偶發事件	最小化，能有效捕捉瞬態事件
EMI 探棒嗅探體驗	緩慢、不連貫，需在定點停留等待	即時、流暢，可快速掃描定位
捕捉偶發事件能力	弱	強
與時域事件的關聯性	延遲高，關聯困難	即時，可透過閘控 FFT 精確關聯

結合近場探棒，可以定位輻射源並應用必要的濾波器設計來減輕電源雜訊問題 。   

結論：整合性分析提升設計可靠性

電源時序和電源軌分析是確保電路行為正常的基礎量測，憑藉八個通道，MXO 5 系列是多軌分析的理想選擇，每通道標準 500 Mpoints 的記憶體保留了高取樣解析度，而 12-bit ADC 為準確量測提供了最高的可用精度，濾波和箱車平均法（Boxcar Averaging）讓 HD 模式能夠提供高達 18-bit 的精度 。   

MXO 5 系列還具有 500 µV/div 的高輸入靈敏度和 ±5 V 的偏移範圍，便於在電源軌量測中進行簡單的被動探棒設定，通道輸入也可以應用選擇性濾波器或使用 HD 模式濾波來產生所需的量測頻寬 。諸如   

頻譜分析和頻率響應分析等功能，在特性分析電源漣波行為時也非常有用。