【導讀】現今的電路和系統(tǒng)工作于1.2 V甚至更低的電源軌，即使偏離標稱值的微小變化也會產生誤碼。抖動、錯誤開關及與瞬態(tài)相關的問題都可能會給你制造難題。
現今的電路和系統(tǒng)工作于1.2 V甚至更低的電源軌，即使偏離標稱值的微小變化也會產生誤碼。抖動、錯誤開關及與瞬態(tài)相關的問題都可能會給你帶來難題。
配電網絡（PDN）上的噪聲測量已成為系統(tǒng)設計調試和故障排除的焦點。但是，確定PDN完整性的過程并非沒有“陷阱”。本文將介紹PDN測量和探測所面臨的一些挑戰(zhàn)，以及可能導致錯誤結果的原因，并討論如何克服它們。
當心射頻拾取
來自EMI / RFI的噪聲是最大的挑戰(zhàn)難題，即使是1.5 V電池的電壓測量也會顯而易見。在電池的內部電化學反應和由于探測引起的一點電流消耗之間，我們可以預料到電壓跡線上會有一些小量的噪聲。
嘗試將電池放入支架并探測其端子，您會對示波器屏幕上出現的噪音量感到驚訝。圖1中的頂部跡線是電池的電壓跡線（品紅色，ch2）。作為參考，底部跡線（黃色，ch1）顯示示波器的噪聲基底測量值。兩條跡線都使用相同的垂直刻度。電池的跡線顯示出其電壓的高噪聲遠遠超出預期。平均電壓為1.56 V，噪聲為33 mVPK-PK。
圖1： 1.5 V電池的初始測量結果顯示噪聲（上部跡線）和示波器的基底噪聲（下部跡線）。 顯然，外部噪聲已進入測量系統(tǒng)。
有用的一致性檢查是在頻域中查看此信號（圖2）。 從全頻譜圖（上部跡線），我們看到噪聲確實是寬帶，達到了示波器的全帶寬（在這種情況下為1 GHz），而且沒有衰減跡象。
圖2：電池電壓測量的頻譜分析視圖顯示出其真正的寬帶（上部跡線），在下部跡線中顯示的前100 MHz中的特定頻率處達到峰值。
圖2中的下部跡線顯示了噪聲頻譜的前100 MHz的放大視圖。 它揭示出明顯的噪聲峰值，奇怪的是，它正好從15 MHz開始，接著是30 MHz、45 MHz，依此類推。這無疑是來自外部源的RF噪聲。
因此，明顯的補救措施是正確地屏蔽電池（圖3），確保屏蔽罩連接到探頭的返回線。
圖3：探頭周圍的屏蔽，即使是粗糙的屏蔽也可以降低RF拾取噪聲。
增加屏蔽的差別在圖4的下部跡線很明顯。屏蔽可將噪聲從大約-60 dBm范圍減小到-100 dBm范圍，減少了4倍，幅度約為45 nV。
圖4：通過探頭周圍的屏蔽，與圖3相比，示波器顯示出降低的噪聲。
作為最終的完整性檢查，讓我們將有適當屏蔽的電池噪聲與示波器的噪聲基底測量值進行比較（圖5）。 示波器基底噪聲在Ch1（黃色，下部跡線），而電池噪聲在Ch2上（品紅色，上部跡線），它們幾乎是相同的。
圖5：當電池有EMI / RFI屏蔽時，示波器的基底噪聲測量（黃色）和屏蔽的電池測量（品紅色）幾乎完全相同。
因此，除非用屏蔽良好的同軸連接線，其它任何東西探測低電平信號都會受到干擾。任何與DUT屏蔽分開的裸露導體都會像天線一樣。
EMI-RFI拾取通常具有寬帶特性。為了最大限度地減少這方面的影響，您的探頭尖端應盡可能地設計為同軸電纜。這一尖端的任何電感都會降低測量帶寬，并可能導致測量中出現振鈴。更糟糕的是，您將獲得“天線效應”，而且探頭容易受到EMI / RFI拾取影響。所以，要確保示波器和DUT之間的連接看起來盡可能像同軸連接。
在測試性設計方面，如果您可以微型同軸連接器的形式在測試板上添加測試點，然后將同軸電纜連接到這些點，那么您將大大減少電軌測量的EMI / RFI潛在影響。
了解10X探頭
正如我們上面所顯示的那樣，EMI / RFI可能對電源軌測量造成嚴重破壞。 因此，您應始終關注示波器探頭的某些特性，即10X衰減探頭，通常在新示波器的盒子中可以找到。使用10X衰減探頭，而不是帶微夾鉗尖端的BNC探頭時，我們會得到什么樣的結果？
圖6顯示了兩條跡線中可比較的噪聲拾取量。 在尖頭開路的情況下，探針對電場更敏感。 10X探針測量值為72 mVPK-PK和11 mV RMS，而同軸探針測量值為36 mVPK-PK和4.2 mV RMS。
圖6：使用10X衰減探頭（頂部）捕獲的信號波形和尖頭開路的BNC探針（底部）顯示出不同的噪聲水平。
圖7顯示了與圖6相同的測量結果，但是尖頭短接在一起。 在這種情況下，探頭對磁場更敏感。 然而，兩條跡線的噪聲分量再次具有可比性。 這次，10X探頭測得33 mVPK-PK和1.6 mV RMS，而同軸電纜探頭測量值為24 mVPK-PK和1.2 mV RMS。
圖7：與圖6相同的信號和探針，但探針尖頭短接在一起，顯示磁場噪聲較低。
我們知道這些測量中的噪聲是EMI / RFI。 解決RF拾取問題的答案是從DUT到示波器機箱的適當屏蔽。
圖8顯示了應用適當屏蔽并在探針尖頭短接的情況下進行測量的結果。 正如所期望的那樣，跟在EMI / RFI實驗中一樣，BNC探頭的信號幾乎沒有噪聲。
圖8：相同的信號和探針，其尖端短路如圖7所示，但應用適當的屏蔽顯示出EMI / RFI降低。
10X探頭發(fā)生了什么？請記住，這些跡線以相同的10 mV/div刻度顯示（參見提示）。但10X探頭顯示出10倍的BNC探頭噪聲。原因是兩個探頭在示波器的放大器中都看到相同的噪聲，但它在10X探頭尖端反射了10倍。
這些例子表明，當使用任何類型的10X衰減探頭在示波器的本底噪聲處或附近采集低電平信號時，您實際上已經放棄了10倍的信號，但仍具有相同的噪聲量。您可以看到信噪比（SNR）會降低20 dB。
帶寬與電流負載
測量電源軌上的噪聲時還有另一個棘手的問題：如何在測量中實現高帶寬，同時最大限度地降低DUT上的電流負載？鑒于DUT是電源軌，您不希望從中吸取太多電流。但是這兩個測量標準相互矛盾。這是一個窘態(tài)，它與互連信號的基本特性有關。
假設您的探頭上有一根同軸電纜。示波器的輸入阻抗為1MΩ，您正在探測低阻抗的電源軌。如果有信號從該軌瞬間發(fā)射到探頭，它會遇到1MΩ輸入阻抗并反射回來，從而引發(fā)振鈴周期（圖9）。
圖9：用一根6英寸長的同軸電纜連接低阻抗電源軌和1MΩ輸入阻抗，會在信號采集時產生反射和振鈴偽影。
您將看到多大的振鈴取決于相對于示波器帶寬的同軸電纜長度。如果您想將振鈴頻率推高到超過1 GHz示波器的帶寬限制，那么同軸電纜要短于3英寸，這是相當不切實際的。如果你正在使用儀器的全帶寬，超過3英寸長度可能會看到顯示器上出現振鈴偽影。
實際應用中，你需要更長的同軸電纜。只要示波器的1MΩ輸入阻抗與電源軌DUT的阻抗之間存在不匹配，就會產生反射和振鈴。因此，要想不產生振鈴偽影，可獲得的最高帶寬可能低于您的預期。
您可以通過在示波器上使用50Ω輸入終端來避免振鈴問題。這種終端可用于最小化電纜反射。
但這又有一個窘境：如果在示波器上使用50Ω輸入端接，在電源軌上就會包含50Ω負載。如果測量5 V電壓軌，這是示波器中的50Ω電阻可以承受的最高電壓，它將消耗100 mA電流。如果您的軌供電100 A，這不是問題。但如果它是LDO，最大電流只有200 mA，示波器將吃掉你一半的裕量。
另一種選擇是使用10X衰減探頭。它有一個1MΩ的示波器輸入，因此它不會加載電源軌。如上所述，10X探頭將失去20 dB的SNR。一些工程師在探頭尖端使用450Ω串聯電阻來制作“獨創(chuàng)”的10X探頭。負載是500Ω，而同軸電纜仍然是50Ω終端，所以他們都很高興。但同樣，我們引入了10倍衰減，并在阻抗匹配上犧牲了SNR。
使用同軸探針可以測量高帶寬，但為此需要50Ω的負載。反過來，這會增加電源軌負載，基本上阻止了我們探測承載超過5 V的電源軌。通常，測試和測量涉及到折中。在某種程度上，每種測量方案都將決定如何平衡這些妥協(xié)以獲得最有意義的結果。
克服每個挑戰(zhàn)的方法是使用有源探頭。電壓軌探頭在低頻時具有高阻抗，因此它們不會將導軌向下加載，但會在50Ω示波器輸入終端電阻中引入一個帶有隔直電容的并聯高通濾波器。此外，電壓軌探頭通?？梢猿惺芨哌_30 V的電壓，并且能夠產生大的偏移。
有源軌探頭是滿足探測電源軌獨特挑戰(zhàn)的最佳折衷方案。
