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克服電源軌噪聲測量中的挑戰

時間:2019-06-05 作者:David Maliniak,Teledyne LeCroy技术营销传播专家 閱讀:
现今的电路和系统工作于1.2 V甚至更低的電源軌,即使偏离标称值的微小变化也会产生误码。抖动、错误开关及与瞬态相关的问题都可能会给你制造难题。

现今的电路和系统工作于1.2 V甚至更低的電源軌,即使偏离标称值的微小变化也会产生误码。抖动、错误开关及与瞬态相关的问题都可能会给你带来难题。eOxEETC-電子工程專輯

配電網絡(PDN)上的噪聲測量已成爲系統設計調試和故障排除的焦點。但是,確定PDN完整性的過程並非沒有“陷阱”。本文將介紹PDN測量和探測所面臨的一些挑戰,以及可能導致錯誤結果的原因,並討論如何克服它們。eOxEETC-電子工程專輯

當心射頻拾取

来自EMI / RFI的噪声是最大的挑战难题,即使是1.5 V电池的电压测量也会显而易见。在电池的内部电化学反应和由于探测引起的一点电流消耗之间,我们可以预料到电压迹线上会有一些小量的噪声。eOxEETC-電子工程專輯

尝试将电池放入支架并探测其端子,您会对示波器屏幕上出现的噪音量感到惊讶。图1中的顶部迹线是电池的电压迹线(品红色,ch2)。作为参考,底部迹线(黄色,ch1)显示示波器的噪声基底测量值。两条迹线都使用相同的垂直刻度。电池的迹线显示出其电压的高噪声远远超出预期。平均电压为1.56 V,噪声为33 mVPK-PK。eOxEETC-電子工程專輯

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图1: 1.5 V电池的初始测量结果显示噪声(上部迹线)和示波器的基底噪声(下部迹线)。 显然,外部噪声已进入测量系统。eOxEETC-電子工程專輯

有用的一致性检查是在频域中查看此信号(图2)。 从全频谱图(上部迹线),我们看到噪声确实是宽带,达到了示波器的全带宽(在这种情况下为1 GHz),而且没有衰减迹象。eOxEETC-電子工程專輯

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图2:电池电压测量的频谱分析视图显示出其真正的宽带(上部迹线),在下部迹线中显示的前100 MHz中的特定频率处达到峰值。eOxEETC-電子工程專輯

图2中的下部迹线显示了噪声频谱的前100 MHz的放大视图。 它揭示出明显的噪声峰值,奇怪的是,它正好从15 MHz开始,接着是30 MHz、45 MHz,依此类推。这无疑是来自外部源的RF噪声。eOxEETC-電子工程專輯

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。eOxEETC-電子工程專輯
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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。eOxEETC-電子工程專輯

增加屏蔽的差别在图4的下部迹线很明显。屏蔽可将噪声从大约-60 dBm范围减小到-100 dBm范围,减少了4倍,幅度约为45 nV。eOxEETC-電子工程專輯
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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。eOxEETC-電子工程專輯

作为最终的完整性检查,让我们将有适当屏蔽的电池噪声与示波器的噪声基底测量值进行比较(图5)。 示波器基底噪声在Ch1(黄色,下部迹线),而电池噪声在Ch2上(品红色,上部迹线),它们几乎是相同的。eOxEETC-電子工程專輯
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图5:当电池有EMI / RFI屏蔽时,示波器的基底噪声测量(黄色)和屏蔽的电池测量(品红色)几乎完全相同。eOxEETC-電子工程專輯

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幹擾。任何與DUT屏蔽分開的裸露導體都會像天線一樣。eOxEETC-電子工程專輯

EMI-RFI拾取通常具有宽带特性。为了最大限度地减少这方面的影响,您的探头尖端应尽可能地设计为同軸電纜。这一尖端的任何电感都会降低测量带宽,并可能导致测量中出现振铃。更糟糕的是,您将获得“天线效应”,而且探头容易受到EMI / RFI拾取影响。所以,要确保示波器和DUT之间的连接看起来尽可能像同轴连接。eOxEETC-電子工程專輯

在测试性设计方面,如果您可以微型同轴连接器的形式在测试板上添加测试点,然后将同軸電纜连接到这些点,那么您将大大减少电轨测量的EMI / RFI潜在影响。eOxEETC-電子工程專輯

了解10X探頭

正如我们上面所显示的那样,EMI / RFI可能对電源軌测量造成严重破坏。 因此,您应始终关注示波器探头的某些特性,即10X衰减探头,通常在新示波器的盒子中可以找到。使用10X衰减探头,而不是带微夹钳尖端的BNC探头时,我们会得到什么样的结果?eOxEETC-電子工程專輯

图6显示了两条迹线中可比较的噪声拾取量。 在尖头开路的情况下,探针对电场更敏感。 10X探针测量值为72 mVPK-PK和11 mV RMS,而同轴探针测量值为36 mVPK-PK和4.2 mV RMS。eOxEETC-電子工程專輯
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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。eOxEETC-電子工程專輯

图7显示了与图6相同的测量结果,但是尖头短接在一起。 在这种情况下,探头对磁场更敏感。 然而,两条迹线的噪声分量再次具有可比性。 这次,10X探头测得33 mVPK-PK和1.6 mV RMS,而同軸電纜探头测量值为24 mVPK-PK和1.2 mV RMS。eOxEETC-電子工程專輯
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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。eOxEETC-電子工程專輯

我们知道这些测量中的噪声是EMI / RFI。 解决RF拾取问题的答案是从DUT到示波器机箱的适当屏蔽。eOxEETC-電子工程專輯

图8显示了应用适当屏蔽并在探针尖头短接的情况下进行测量的结果。 正如所期望的那样,跟在EMI / RFI实验中一样,BNC探头的信号几乎没有噪声。eOxEETC-電子工程專輯
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图8:相同的信号和探针,其尖端短路如图7所示,但应用适当的屏蔽显示出EMI / RFI降低。eOxEETC-電子工程專輯

10X探头发生了什么?请记住,这些迹线以相同的10 mV/div刻度显示(参见提示)。但10X探头显示出10倍的BNC探头噪声。原因是两个探头在示波器的放大器中都看到相同的噪声,但它在10X探头尖端反射了10倍。eOxEETC-電子工程專輯

这些例子表明,当使用任何类型的10X衰减探头在示波器的本底噪声处或附近采集低电平信号时,您实际上已经放弃了10倍的信号,但仍具有相同的噪声量。您可以看到信噪比(SNR)会降低20 dB。eOxEETC-電子工程專輯

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。但是這兩個測量標准相互矛盾。這是一個窘態,它與互連信號的基本特性有關。eOxEETC-電子工程專輯

假設您的探頭上有一根同軸電纜。示波器的輸入阻抗爲1MΩ,您正在探測低阻抗的電源軌。如果有信號從該軌瞬間發射到探頭,它會遇到1MΩ輸入阻抗並反射回來,從而引發振鈴周期(圖9)。eOxEETC-電子工程專輯
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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,會在信號采集時産生反射和振鈴僞影。eOxEETC-電子工程專輯

您将看到多大的振铃取决于相对于示波器带宽的同軸電纜长度。如果您想将振铃频率推高到超过1 GHz示波器的带宽限制,那么同軸電纜要短于3英寸,这是相当不切实际的。如果你正在使用仪器的全带宽,超过3英寸长度可能会看到显示器上出现振铃伪影。eOxEETC-電子工程專輯

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,就會産生反射和振鈴。因此,要想不産生振鈴僞影,可獲得的最高帶寬可能低于您的預期。eOxEETC-電子工程專輯

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。eOxEETC-電子工程專輯

但这又有一个窘境:如果在示波器上使用50Ω输入端接,在電源軌上就会包含50Ω负载。如果测量5 V电压轨,这是示波器中的50Ω电阻可以承受的最高电压,它将消耗100 mA电流。如果您的轨供电100 A,这不是问题。但如果它是LDO,最大电流只有200 mA,示波器将吃掉你一半的裕量。eOxEETC-電子工程專輯

另一种选择是使用10X衰减探头。它有一个1MΩ的示波器输入,因此它不会加载電源軌。如上所述,10X探头将失去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”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,並在阻抗匹配上犧牲了SNR。eOxEETC-電子工程專輯

使用同轴探针可以测量高带宽,但为此需要50Ω的负载。反过来,这会增加電源軌负载,基本上阻止了我们探测承载超过5 V的電源軌。通常,测试和测量涉及到折中。在某种程度上,每种测量方案都将决定如何平衡这些妥协以获得最有意义的结果。eOxEETC-電子工程專輯

克服每個挑戰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並聯高通滤波器。此外,电压轨探头通常可以承受高达30 V的电压,并且能够产生大的偏移。eOxEETC-電子工程專輯

有源軌探頭是滿足探測電源軌獨特挑戰的最佳折衷方案。eOxEETC-電子工程專輯

本文同步刊登于電子工程專輯雜志2019年6月刊eOxEETC-電子工程專輯

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