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精確測量電源軌的四個實用技巧

作者:sdxyx    發(fā)布時間:2023-02-03 10:05:21    瀏覽量:

成為一個技術(shù)重點(diǎn)。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(yán)苛。原來的電源軌電壓為5 V,容限為5%,而現(xiàn)在降低到了1.2 V 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(1.2V x 0.5% = 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(luò)給予更多的關(guān)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(jī)干擾。

 

電源分布網(wǎng)絡(luò)可能包括10到30個電源軌。有些電源軌的電壓是獨(dú)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(zhǔn)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(shè)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(luò)的四個重要技巧。

 

首先選擇噪聲最小的示波器和探頭

 

當(dāng)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(jī)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1 MΩ 路徑相比,50Ω 路徑的噪聲小得多,因此50Ω 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(biāo)度設(shè)置下的VAC rms。測試電源軌的工程師通常更關(guān)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(fù)執(zhí)行噪聲測量。測量結(jié)果會得到一個圖形,如下圖所示。對于電源軌測量,最常用的垂直標(biāo)度設(shè)置都≤50 mV/ 格。如果您用的示波器不是太老,您通常可在制造商提供的技術(shù)資料中查出示波器本底噪聲指標(biāo)。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(biāo)度設(shè)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(dāng)垂直靈敏度小于20 mV/ 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(shù)也很重要,最后要看示波器的綜合指標(biāo),圖1 中顯示了Keysight Infiniium S 系列示波器在1GHz 帶寬下的噪聲特性,雖然是業(yè)界本底噪聲最低的示波器,但在小量程下和理想的ADC 分辨率仍有較大差距。

 

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圖1 花幾分鐘評估示波器的噪聲

圖中顯示了Keysight Infiniium S 系列示波器在1GHz 帶寬下的噪聲特性。在最靈敏的垂直標(biāo)度設(shè)置下,噪聲最小。因此,最好將垂直標(biāo)度設(shè)置為最小,讓電源軌波形滿屏顯示。

 

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(biāo),因此您需要咨詢供應(yīng)商或自己實測。

 

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圖2 探頭噪聲添加到示波器噪聲上

屏幕上顯示的是電源軌測量可能使用的兩個不同探頭的噪聲。Tek P6248探頭的噪聲是Keysight 7020 電源軌探頭的10 倍。

 

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。

 

使用降噪技術(shù)

 

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(yùn)算。圖3 給出了一個實例。如果對4 GHz 帶寬的Infiniium S 系列示波器執(zhí)行FFT 運(yùn)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(jìn)行積分運(yùn)算,您將得到與時域結(jié)果相同的噪聲值。

 

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圖3 顯示了2.5GHz 帶寬的電源軌測量和另一個帶寬限制為20MHz 的電源軌測量

在高帶寬下,您可以清晰地看到高頻干擾,但是在打開20MHz 帶寬限制后就看不到了。

 

打開帶寬限制或帶寬濾波器可以降低寬帶噪聲,得到更準(zhǔn)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(diǎn)有哪些?當(dāng)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。比如,如果您使用35 MHz 帶寬的探頭,那么就看不到信號源輸出的頻率分量超過35 MHz 的干擾或串?dāng)_。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1 GHz 帶寬的Keysight S 系列示波器為例,示波器的噪聲在50 mV/ 格標(biāo)度下為450 uV,在20 mV/格下只有160 uV,在2 mV/ 格下更是降低到90 uV。因此關(guān)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(yīng)把電源軌測量的量程設(shè)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(dǎo)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(dǎo)致噪聲增加。

 

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(biāo)度變化而變化。在小量程設(shè)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80 mV 量程設(shè)置下,可用偏置僅有24 mV。這使它不可能顯示3.3 V、1.6 V 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(diǎn)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(guān)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(dá)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(shè)計中加入偏置功能。這種偏置可以很好地補(bǔ)充示波器偏置的不足。例如,示波器只能提供+/- 24 mV的偏置,結(jié)合使用N7020A 電源軌探頭可以將偏置范圍擴(kuò)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1 mV/ 格的標(biāo)度放大信號,不會給偏置增加任何限制。

 

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(guān)。電源軌的阻抗通常小于1Ω。當(dāng)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(luò)。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(biāo)系統(tǒng),影響目標(biāo)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。其次,示波器因為探頭負(fù)載效應(yīng)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(zhǔn)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50Ω 同軸電纜來測量,而應(yīng)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(shè)計的探頭。電源軌探頭專為電源完整性測量而設(shè)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。KeysightN7020A 電源軌就是電源軌探頭的一個例子。這款探頭擁有50 KΩ 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(fù)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(luò)的日趨復(fù)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(guān)技術(shù)將有助于用戶實現(xiàn)最精確的電源軌測量。

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