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精確測量電源軌的四個技巧

2020-11-30 瀏覽次數(shù)：

在當前的電子設計領域，電源分布網(wǎng)絡(PDN)已經(jīng)成為一個技術重點。形成這一趨勢的背后有哪些推動因素?首先是電源軌的電壓在不斷降低，而且容限越來越嚴苛。原來的電源軌電壓為5V，容限為5%，而現(xiàn)在降低到了1.2V甚至更低，容限僅為1%(±0.5%)。這意味著用戶需要分析幅度僅為幾毫伏的信號(1.2Vx0.5%二6mV)。其次，直流電源系統(tǒng)正成為系統(tǒng)抖動的重要來源，在解決系統(tǒng)問題時不得不對電源分布網(wǎng)絡給予更多的關注。因此，用戶必須選擇適合的工具，以便在不改變電源軌特性的情況下，有足夠的帶寬來查看周期干擾和隨機干擾。
　　
　　電源分布網(wǎng)絡可能包括10到30個電源軌。有些電源軌的電壓是獨一無二的，有些則是相同的。電壓值最低只有幾百毫伏，最高超過10伏。由于PDN 連接到所有電路器件上，所以電源軌上的噪聲或瞬態(tài)特征也會傳播到整個系統(tǒng)中。因此，電源軌上的噪聲和耦合成為造成系統(tǒng)抖動的首要原因。
　　
　　為了提高測量的準確性，電源完整性測量(例如測量紋波和噪聲，以及查找瞬態(tài)干擾和周期干擾的來源)的要求變得更加苛刻。原因何在?電源軌電壓越低，其容限也就越苛刻，但這往往被示波器和探頭的噪聲所掩蓋。用戶無法獲得足夠的偏置以放大顯示測量結(jié)果。連接方法也會在無意中改變直流電壓值。
　　
　　業(yè)界已經(jīng)出現(xiàn)專為電源軌測量而設計的探頭。結(jié)合使用具有帶寬限制和豐富測量功能的低噪聲示波器，工程師能夠執(zhí)行更精確的電源完整性測量。下面是使用示波器精確測試電源分布網(wǎng)絡的四個重要技巧。
　　
　　1 首先選擇噪聲最小的示波器和探頭
　　
　　當您測量擺幅只有幾毫伏的信號時，如果噪聲也差不多大小，那么肯定不會得到滿意的測量結(jié)果。示波器和探頭的噪聲可能會掩蓋掉周期性干擾和隨機性干擾。所有示波器都帶有前端，它會產(chǎn)生一定的噪聲并添加到信號中。示波器顯示的測量結(jié)果實際上包含被測信號和示波器噪聲兩部分。與示波器上的1MΩ路徑相比，50Ω路徑的噪聲小得多，因此5012路徑更適合電源軌測量。
　　
　　確定您的示波器有多大噪聲很容易。在1GHz 帶寬下，噪聲最高的示波器與噪聲最低的示波器其噪聲電平相差好幾倍。斷開所有輸入，然后測量每種垂直標度設置下的VACrms。測試電源軌的工程師通常更關注峰峰值噪聲測量，因為電源軌上的紋波和噪聲一般是用峰峰值來測量。在您將要使用的每個垂直靈敏度下重復執(zhí)行噪聲測量。測量結(jié)果會得到一個圖形，如圖1所示。對于電源軌測量，最常用的垂直標度設置都<=50mv 。如果您用的示波器不是太老，您通?？稍谥圃焐烫峁┑募夹g資料中查出示波器本底噪聲指標。如果您有兩種不同的示波器候選，可以根據(jù)測量結(jié)果來決定使用哪種示波器。如果您只能使用某一臺示波器，那么可以利用測量判斷哪個通道的噪聲最低，最適合用來做電源軌測量，在每個垂直標度設置下，不同通道的噪聲略有差異。如果您更喜歡使用adc分辨率超過8位的示波器，在驗證其本底噪聲時，您就會發(fā)現(xiàn)當垂直靈敏度小于20mv/格或量程小于160mv時，示波器本底噪聲的影響比示波器的adc分辨率更重要，這時影響測量結(jié)果顯示的最大因素不是分辨率，而是噪聲，所以示波器的前置放大器等技術也很重要，最后要看示波器的綜合指標，圖1中的藍色曲線代表infiniium="">
　　
　　除了示波器所引發(fā)的噪聲外，連接的探頭或電纜也會增加噪聲。與衰減比較高(例如10：1)的探頭相比，衰減比較低(例如1：1)的探頭其噪聲也較低，因此在電源軌測量中更常用。圖2的例子中有2個探頭，分別連接到同一臺示波器。一個探頭在示波器噪聲上只增加了非常小的噪聲；而另一個探頭對總體噪聲的影響是前者的10倍。如需測試探頭噪聲，可以將探頭連接至將要使用的示波器通道。然后將探針接地，并測量Vacrms或峰峰值電壓。這就是示波器和探頭的噪聲。示波器廠商通常不公布探頭噪聲指標，因此您需要咨詢供應商或自己實測。
　　
　　選擇低噪聲的探頭甚至比選擇低噪聲的示波器更重要。探頭的噪聲通常比示波器更大。例如，Keysight N7020A電源軌探頭添加的噪聲就非常小，與Infiniium示波器連接時，只增加了10%的噪聲，示波器性能好，但探頭性能若不好，實際的測量結(jié)果就不會好。
　　
　　2 使用降噪技術
　　
　　在特定示波器中，最大的噪聲部分是寬帶噪聲。斷開示波器的所有輸入，對頻域中的噪聲結(jié)果實施FFT運算。圖3給出了一個實例。如果對4GHz帶寬的InfiniiumS系列示波器執(zhí)行FFT運算，結(jié)果顯示在示波器的整個帶寬范圍內(nèi)噪聲密度都是一致的。對FFT下的區(qū)域進行積分運算，您將得到與時域結(jié)果相同的噪聲值。
　　
　　打開帶寬限制或帶寬濾波器可以降低寬帶噪聲，得到更準確的測量結(jié)果。如果您的測量不需要使用示波器的全部帶寬，那么盡量限制所使用的帶寬大小。不過，帶寬限制濾波器的缺點有哪些?當您需要查看較高頻率的信號時，必須保證沒有對帶寬做太多限制。請看圖3中的例子，如果您使用35MHz帶寬的探頭，那么就看不到信號源輸出的頻率分量超過35MHz的干擾或串擾。雖然紋波的頻率通常是kHz級的，但來自耦合信號源和快速信號邊沿的周期性失真可能包含超過1 GHz的頻率成分。
　　
　　另一種降低噪聲的方法不是很引人注目，但是一樣重要。前面提到過，示波器的帶寬和垂直靈敏度都對噪聲有影響。垂直靈敏度越低，噪聲就越小。以1GHz帶寬的Keysight S系列示波器為例，示波器的噪聲在50reV/格標度下為450uV，在20mV/格下只有160uV，在2mV/格下更是降低到90uV。因此關鍵是要使用能夠?qū)崿F(xiàn)最高信噪比的靈敏度。這意味著您應把電源軌測量的量程設定為滿屏顯示。如果您需要同時查看兩個電源軌，可以把它們上下分屏(grid)顯示，每一個電源軌盡量占示波器每個分屏(grid)的滿屏顯示，這樣不會導致噪聲增加，如果您的示波器不支持多個分屏(grid)功能，您讓兩個波形在一個屏中顯示，每個占4個格，這樣您犧牲了1-bit的ADC分辨率，導致噪聲增加。
　　
　　3 使用符合偏置要求且具有最高直流輸入阻抗的探頭
　　
　　電源軌測量要求用戶在示波器屏幕中心位置顯示軌電壓的波動，并放大顯示以測量紋波和觀察瞬態(tài)特性。示波器通常支持一定范圍內(nèi)的偏置，并隨著垂直標度變化而變化。在小量程設置時，示波器自身的偏置范圍通常無法滿足測試需求。例如在Infiniium S系列上，在80mV量程設置下，可用偏置僅有24mV。這使它不可能顯示3.3V、1.6V或其它電壓的電源軌測量結(jié)果。您將發(fā)現(xiàn)大多數(shù)示波器都是這種情況。解決這一問題有兩種辦法。
　　
　　許多工程師選擇使用隔直流電容來濾除直流值。這種方法的好處在于它使用戶能夠只查看信號的交流分量，但主要缺點是無法查看直流漂移和電壓緩慢下降的情況。直流值可能會隨著器件的開啟和關閉而發(fā)生變化，用戶除了要知道交流特性外，了解直流值也非常重要。因此通常不建議使用隔直流’電容器。
　　
　　達到偏置要求的更好辦法是使用具有偏置的探頭。探頭制造商通常在探頭設計中加入偏置功能。這種偏置可以很好地補充示波器偏置的不足。例如在前面提到的例子中，示波器只能提供+/-24mV 的偏置，結(jié)合使用N7020A電源軌探頭可以將偏置范圍擴大到+/-24V。這個偏置范圍覆蓋了絕大多數(shù)電源軌直流值，使用戶能夠以最小1reV/格的標度放大信號，不會給偏置增加任何限制。
　　
　　4 使用大輸入阻抗的探頭
　　
　　我們在前面說過，要獲得最低噪聲，最好使用示波器的50Ω輸入端。您是直接將同軸電纜連接到50Ω輸入端，還是使用探頭連接?哪種方法的優(yōu)勢更大?答案與連接方法的輸入阻抗有關。電源軌的阻抗通常小于1n。當用戶用50Ω同軸電纜連接示波器和電源軌時，會發(fā)生兩件事。首先，50Ω連接會構(gòu)成電阻分壓網(wǎng)絡。部分電流現(xiàn)在將會通過同軸電纜流向示波器。部分電流將會被吸離目標系統(tǒng)，影響目標系統(tǒng)的運行狀態(tài)。其次，示波器因為探頭負載效應的存在，您實際測出的電壓值是小于實際值的，這種方法測到的直流值是不準確的，因此，即使您的示波器本身支持足夠大的偏置范圍，也最好不要使用還是使用50Ω同軸電纜來測量，而應該使用直流輸入阻抗較大的探頭。
　　
　　目前，市面上已經(jīng)出現(xiàn)專門為電源軌測量而設計的探頭。電源軌探頭專為電源完整性測量而設計，具有最精確的電源軌測量能力和特性，這些特性包括低噪聲(1：1衰減比)、高偏置范圍、高直流輸入阻抗以及用于查看瞬態(tài)特性的足夠帶寬。Keysight N7020A電源軌就是電源軌探頭的一個例子。這款探頭擁有50KΩ的直流輸入阻抗。與前面使用50Ω同軸電纜直接連接50Ω示波器輸入端的例子相比，它對負載的影響小1000倍。
　　
　　隨著電源電壓的不斷降低以及電源分布網(wǎng)絡的日趨復雜，用戶對更精確測量電源軌的需求將繼續(xù)增長。能夠出色地完成電源完整性測量的示波器和探頭組合并不多，選擇和使用正確的工具以及其他相關技術將有助于用戶實現(xiàn)最精確的電源軌測量。

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