![通用贴片电阻](/mb/static/picture/744881ada6093202e80db43036ab3575.jpg)
在探测嵌入式系统配电网络(PDN)时,有许多要注意的事项,通常要测试的是浮在大电压上的很小信号,必须很好地理解和管理测量系统的噪声。信号路径中的阻抗不匹配会引起高频成分的反射,某些探测方式可能没办法提供足够的偏置范围以匹配大的电压,带宽限制会无法捕获和表征高频噪声。而且,由于PDN的直流阻抗通常低至1Ω甚至更低,因此低阻抗探测方式可能会在DUT上施加过大的负载。
与大多数示波器一样,特励达力科所有12位示波器都标配有一组10MΩ无源探头,这种探头的带宽通常为500 MHz,连接到1MΩ耦合示波器输入时,探头的高阻抗可提供良好的直流负载特性。
10MΩ无源探头一定要考虑接地,使用典型的3英寸接地导线会导致很高的RF干扰以及高电感和信号振铃,通常最好使用较短的弹簧型接地线。它具有较小的“天线”效应,因此具有较少的RF拾取以及较短的电感环路,可减少振铃。
图1:10MΩ无源探头的10:1衰减导致信号无法利用示波器的整个ADC动态范围
10MΩ无源探头具有10:1的衰减,这在某种程度上预示着信号衰减了10倍,但测量系统中的噪声不受影响---因此,SNR比1:1探头或直接连接低了20 dB。从图1能够准确的看出,由于10:1衰减,信号显示为80 mV满量程,在这种情况下,灵敏度限制为10 mV / div或更高。
注意:为了比较所有五种方式的噪声性能,我们将每种方法都应用到相同的900mV电源轨,为了公平比较,所有信号的带宽都限制在500 MHz以内,并在所需的偏置下,调整垂直灵敏度,以使SNR最大,在每个示例中,下方的波形为5 mV / div的放大。
使用高精度示波器测试电源轨的第二种方式是同轴线MΩ输入,无论是设计到DUT中还是通过焊接连接,与DUT的同轴连接的主要优点有两个:连接的高带宽和较小的接地环路,以实现低RF拾取。
图2描绘了使用同轴线 mV电源轨的结果,在没有衰减的情况下,这种方法可实现高SNR,但从50Ω同轴电缆到1MΩ输入的阻抗不连续会引起反射。特励达力科的HD4096示波器具有高偏置能力,这在某种程度上预示着能够充分偏置输入,以匹配900 mV的电源轨,同时保持最大的垂直灵敏度。
图2:与示波器1MΩ输入的同轴线缆连接消除了衰减,但阻抗不连续会引起反射
第三种方式是使用同轴线Ω连接,与前面方法不同之处在于它提供了更高的带宽。但是,它提供的低偏置范围对某些示波器可能是个问题。当50Ω示波器输入加载到具有极低阻抗(远小于1Ω)电源轨时,也有几率存在负载问题。
通过同轴连接到示波器的50Ω输入来测量900 mV电源轨,还能轻松实现较高的SNR,而特励达力科的HD4096高精度示波器有充足的偏置能力,可以偏置示波器的输入而不可能会产生不利的灵敏度影响(图3)。
图3:与示波器的50-Ω输入端的同轴连接可改善带宽,但对极低阻抗的电源轨有几率会使负载问题
因为该电源轨具有高阻抗,所以50-Ω负载不是问题, 但是,如果它的阻抗很低,那么负载可能是一个重大问题。
探测方式4是10:1同轴探头,能够正常的使用同轴电缆和450Ω电阻自制,也能买, 当与示波器的50Ω耦合输入连接时,10:1同轴探头会以10:1的比例将输入信号衰减。有效带宽可能非常高,这取决于与DUT的连接质量。但是,10:1同轴探头与10MΩ无源探头具有相同的20dB噪声损失(图4),根据PDN自身阻抗,可能能承受450 欧姆的负载。
最后,第五种选择是电源轨探头,专门用于探测电源轨(如特励达力科RP4060有源电源轨探头),该探头提供4 GHz的高带宽,低噪声,仅1.2倍的衰减以及±30 V DC的高偏置能力。
当使用RP4060电源轨探头测量900 mV电源轨时,探头的1:1衰减实现了更低的噪声,而高达30 V的大DC偏置范围则足以胜任当前的工作(图5), 它还在DC上呈现50kΩ的负载,这在某种程度上预示着不会从低阻抗电源轨上汲取大量电流。
图5:专门为探测电源轨而设计的RP4060电压轨探头具有低噪声,大DC偏置范围,并且不会从低阻抗电源轨汲取电流
如图六所示,为使用同轴线V的偏置,在需要高带宽测量时,与示波器的50-Ω输入连接的同轴线缆只能在低灵敏度设置下实现此偏置,这会降低SNR。
但是,电源轨探头可以在非常大的偏置下实现全灵敏度,从而能够实现更高的SNR和更精确的测量(图7),在40 mV pk-pk的满量程输入范围内做测量意味着能应用更多的ADC分辨率来数字化信号,这能改善SNR。
图7与图6相比,RP4060电源轨探头在很高的偏置下实现了更高灵敏度,在数字化输入信号时采用了更高的ADC分辨率
为了比较五种电源轨探测方式的带宽,我们用一个4 GHz示波器来测量带有大量高频时钟信号噪声的3.3 V电源轨,同时,调整偏置和垂直灵敏度以使SNR最大化。
由于带宽限制为500 MHz,10MΩ无源探头无法捕获信号的所有高频成分(图8,左上方),同样的,与示波器的1MΩ耦合输入连接的同轴线 GHz的带宽,但仍不足以覆盖时钟噪声信号的全部频谱(图8,右上)。
使用同轴电缆连接到示波器的50Ω输入,其带宽要好一些,因为它具有4 GHz带宽:足以捕获噪声信号的整个频谱。但是,为了在这种耦合和带宽条件下获得足够的偏置,垂直灵敏度会受到限制(图8,中左)。
就其本身而言,10:1同轴探头具有4 GHz的带宽,可进行全频谱采集,但是探头的10:1衰减会导致SNR降低20 dB(图8,中右)。
当使用RP4060电源轨探头测量嘈杂的3.3V电源轨时,该探头不仅仅具备足够的带宽来进行全频谱捕获,而且还没有衰减,并有很高的偏置范围(图8,底部)。在10:1同轴探头和RP4060探头(图9)的叠加比较中,请注意前者和后者之间的本底噪声差异。
图9:与RP4060电源轨探头和10:1同轴探头相比,可以明显观察到两个探头之间的本底噪声差异
示波器和探头是影响电源轨噪声测量的重要的因素,以上介绍了使用特励达力科12位高精度示波器探测电源轨的各种方式各自的优点和缺点。有些方式(例如10MΩ无源探头)对电源轨的负载很小,但带宽有限。如果电源轨阻抗很低,但带宽却很高,有些方式(例如与示波器的50欧姆输入端同轴连接)在负载方面就有一定的问题。RP4060电压轨探头是个例外,它是专为电源轨探测而设计的,旨在消除这一些折衷,配合特励达力科低噪声12bit示波器使用,可以精准测量电源轨噪声。