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配电网 (PDN) 必须为微处理器、DSP、FPGA 和 ASIC 等灵敏负载提供多条低噪声直流电源轨。追求更高速度和更高密度意味着更快的边沿速率、更高的频率和更多的电源轨,以及更低的电压电平和更高的电流。这给信号完整性和电源完整性的设计带来了压力。

电源完整性测量旨在验证达到负载点 (POL) 的电压和电流在所有预期工作条件下是否满足负载的电源轨规格。需要特别注意的是,在 GHz 频率下准确测量电源轨噪声(毫伏)。

在不阻断直流电或加载电源轨的情况下测量高频纹波

电源轨上的噪声规格可上升到 MHz 或 GHz 频率范围,幅度单位为 毫伏。

具有低噪声成分和高带宽特性的示波器可以进行这些测量,但将 信号输入到仪器中并非易事。

示波器随附的高阻抗 10X 无源探头可能具有足够的带宽,但它们会衰减 您试图测量的噪声信号。然后,示波器会同时放大信号和 测量系统噪声,使其无法区分。

1X 探头可以无衰减地传递噪声信号,但其带宽范围仅限于几 MHz。

使用 50 Ω 示波器输入的传输线探头或电缆可实现出色的高频性能,但会在直流条件下带来 显著负载。

用于进行电源轨测量的理想探头可在直流条件下实现高阻抗,并充当高频交流电的 50 Ω 传输线。TPR1000 和 TPR4000 等电源轨探头设计为具有 高带宽、无衰减和最小负载特性,从而可应对这些挑战。

处理 1 V 至 48 V 及以上的电源

尽管许多 FPGA 和 SoC 的主电源电压已经大幅下降,但这些不是唯一要考虑的 电源。片上 I/O 电源的覆盖范围比主逻辑电源的覆盖范围大得多。为 POL 稳压器或电压调节器模块 (VRM) 供电的整体 电源的电压通常要高得多。

尽管许多示波器和探头可以提供一定的 DC 偏移,但可能不足以处理系统中的所有电源 轨。在较低的伏特/格(较高灵敏度)设置下,仪器系统往往能 减少偏移。虽然可选择阻断直流电,但这通常是不可取的(请参见上文)。

除了满足上面概述的高频需求外,TPR1000 和 TPR4000 等电源轨探头还可提供高偏移范围以应对各种电压电平。

最小化测量系统噪声成分

测量 10 mV 量级的噪声需要特别注意测量系统噪声。如上所述, 使用非衰减探头或 1X 探头可以减轻示波器放大器的负担。示波器的 内部噪声和测量分辨率也起着至关重要的作用。

6 系列 MSO 包括具有行业领先噪声性能的新前端。示波器的开放 信道噪声低至 50μVRMS和 466μV 峰值。当与 TPR1000/4000 电源 轨探头配对时,系统噪声可低至 70μVRMS

6 系列以 12.5 GS/s 的速度提供 12 位分辨率。高分辨率功能可在 625 MS/s 及以下速度将分辨率提高到 16 位。4 和 5 系列 MSO 还提供 12 位分辨率,在使用高分辨率模式的条件下最高可达 16 位。

测量配电网络阻抗

对于为 FPGA、处理器和其他复杂 IC 供电的 PDN,电源轨阻抗必须较低,以便提供高电流,从而响应 快速变化的需求。但是,网络由许多阻抗 (包括稳压器、去耦电容器和 PCB 走线)组成。高速开关涉及宽带 频率,并且阻抗的意外变化会导致过多的瞬变或噪声。在较宽的 频率范围内测量网络设计的阻抗可确保网络不会 发生不必要的意外情况。

传统上,网络阻抗测量使用双端口 TTR500 等 VNA 进行, 测量范围从 100 kHz 到 6 GHz。

5 和 6 系列 MSO 示波器可以使用分析软件、 信号发生器(内置或 AFG31000 系列)和隔离变压器来测量低至 10 Hz 的电源轨阻抗。

Power rail impedance measurement system using 5 or 6 Series MSO oscilloscope

使用同步频谱和波形分析来表征噪声

假设您已经测量了电源轨噪声,并且测量值超出了规格。那么,这是由什么引起的呢? DC-DC 转换器?整体供电?PLL?时钟?还是串扰?频谱分析可以提供噪声 源的线索 – 有助于将噪声频率与开关频率和谐波相关联。

频谱分析仪(例如 RSA306)通过直流模块连接到电源轨,可帮助您深入了解 噪声。
示波器上的 FFT 功能也很有用,但这些功能使用示波器上的采样时钟,致使 难以或无法同时查看频谱和电压波形。4、5 和 6 系列 MSO 上的 独特频谱视图提供了独立的频谱分析仪控件,因此您可以同时查看同步的时域 频谱和频域波形。

借助自动化分析软件更快地进行电源轨测量

在几十条电源轨上,即使是进行简单的测量(例如,纹波、过冲和下冲)也需要 大量时间和注重细节。

5 和 6 系列 MSO 随数字电源管理软件一起提供,可自动执行这些重复的 测量并生成深度报告。该软件还包括抖动分析(TIE、RJ、DJ 和 Eye 测量),以便检查由 PDN 供电的时钟和通信信号是否存在过多抖动。