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精確測量電源軌的四個技巧
2020-11-30
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在當前的電子設計領域，電源分布網絡(PDN)已經成為一個技術重點。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，直流電源系統正成為系統抖動的重要來源，在解決系統問題時不得不對電源分布網絡給予更多的關注。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特征也會傳播到整個系統中。因此，電源軌上的噪聲和耦合成為造成系統抖動的首要原因。
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果。連接方法也會在無意中改變直流電壓值。
業界已經出現專為電源軌測量而設計的探頭。結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，它會產生一定的噪聲并添加到信號中。示波器顯示的測量結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行噪聲測量。測量結果會得到一個圖形，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，可以根據測量結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，您就會發現當垂直靈敏度小于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系列示波器執行FFT運算，結果顯示在示波器的整個帶寬范圍內噪聲密度都是一致的。對FFT下的區域進行積分運算，您將得到與時域結果相同的噪聲值。
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實現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特性。示波器通常支持一定范圍內的偏置，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果。您將發現大多數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，會發生兩件事。首先，50Ω連接會構成電阻分壓網絡。部分電流現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，影響目標系統的運行狀態。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，市面上已經出現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絡的日趨復雜，用戶對更精確測量電源軌的需求將繼續增長。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最精確的電源軌測量。
電源分布網絡可能包括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特征也會傳播到整個系統中。因此，電源軌上的噪聲和耦合成為造成系統抖動的首要原因。
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果。連接方法也會在無意中改變直流電壓值。
業界已經出現專為電源軌測量而設計的探頭。結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，它會產生一定的噪聲并添加到信號中。示波器顯示的測量結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行噪聲測量。測量結果會得到一個圖形，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，可以根據測量結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，您就會發現當垂直靈敏度小于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系列示波器執行FFT運算，結果顯示在示波器的整個帶寬范圍內噪聲密度都是一致的。對FFT下的區域進行積分運算，您將得到與時域結果相同的噪聲值。
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實現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特性。示波器通常支持一定范圍內的偏置，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果。您將發現大多數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，會發生兩件事。首先，50Ω連接會構成電阻分壓網絡。部分電流現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，影響目標系統的運行狀態。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，市面上已經出現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絡的日趨復雜，用戶對更精確測量電源軌的需求將繼續增長。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最精確的電源軌測量。
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