今日的電路和系統運作於1.2V甚至更低的電源軌,即使偏離標稱值的微小變化也會產生位元錯誤;抖動、錯誤開關及與暫態(transient)相關的問題都可能會給你帶來難題。

配電網路(PDN)上的雜訊測量已成為系統設計除錯和故障排除的焦點,但是確認PDN完整性的過程並非沒有「陷阱」。本文將介紹PDN量測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。

小心射頻訊號擷取

來自EMI / RFI的雜訊是最大的挑戰難題,即使是1.5V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於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雜訊。

圖1:1.5 V電池的初始量測結果顯示雜訊(上方跡線)和示波器的基底雜訊(下方跡線);顯然,外部雜訊已進入量測系統。

嘗試將電池放入支架並探測其端子,你會對示波器螢幕上出現的雜訊量感到驚訝。圖1中的頂部跡線是電池的電壓跡線(桃紅色,ch2);作為參考,底部跡線(黃色,ch1)顯示示波器的雜訊基底測量值。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雜訊遠遠超出預期。平均電壓為1.56V,雜訊為33mVPK-PK

有用的一致性檢查是在頻域中查看此訊號(圖2)。從全頻譜圖(上方跡線),我們看到雜訊確實是寬頻,達到了示波器的全頻寬(在這種情況下為1GHz),而且沒有衰減跡象。

圖2:電池電壓測量的頻譜分析圖顯示出其真正的寬頻(上方跡線),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中的下方跡線顯示了雜訊頻譜的前100MHz的放大視圖,揭示了明顯的雜訊峰值;奇怪的是,它正好從15MHz開始,接著是30MHz、45MHz,依此類推,這無疑是來自外部來源的RF雜訊。

圖3:探棒周圍的屏蔽,即使是粗糙的也能降低RF擷取雜訊。

因此,明顯的補救措施是正確地屏蔽電池(圖3),確保屏蔽遮罩連接到探棒的回線(return line)。增加屏蔽的差別可從圖4的下部跡線明顯看出──可將雜訊從大約-60dBm範圍降低到-100dBm範圍,減少了4倍,幅度約為45nV。

圖4:在探棒周遭增加屏蔽,示波器顯示出與圖3相較明顯降低的雜訊。

作為最終的完整性檢查,讓我們將有適當屏蔽的電池雜訊,與示波器的雜訊基底測量值進行比較(圖5)。示波器基底雜訊在Ch1 (黃色,下方跡線),而電池雜訊在Ch2上 (桃紅色,上方跡線),它們幾乎是相同的。

圖5:當電池有EMI / RFI屏蔽時,示波器的基底雜訊測量(黃色)和屏蔽的電池測量(桃紅色)幾乎完全相同。

因此,除非用屏蔽良好的同軸連接線,其他任何東西探測低位準訊號都會受到干擾。任何與待測物(DUT)屏蔽分開的裸露導體都會像天線一樣。

EMI-RFI擷取通常具有寬頻特性。為了將這方面的影響減至最小,你的探棒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量測頻寬,並可能導致量測中出現振鈴;更糟的是,你會遭遇「天線效應」(antenna effect),而且探棒容易受到EMI/RFI擷取影響。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,如果你可以用微型同軸連接器的形式在測試板上添加測試點,然後將同軸電纜連接到這些點,那麼你將大大減少電軌測量的EMI/RFI潛在影響。

瞭解10X探棒

正如我們前面所展示的,EMI/RFI可能對電源軌測量造成嚴重破壞。 因此,你應始終關注示波器探棒的某些特性,即10X衰減探棒,通常在新示波器的盒子中可以找到。若使用10X衰減探棒(attenuating probe),而非具備微夾鉗尖端的BNC探棒時,我們會得到什麼樣的結果?

圖6顯示了兩條跡線中可比較的雜訊擷取量;在尖端開路(tips open)的情況下,探針對電場更敏感。10X探針測量值為72mVPK-PK和11mV RMS,而同軸探針測量值為36 mVPK-PK和4.2mV RMS。

圖6:使用10X衰減探棒(頂部)捕獲的訊號波形和尖端開路的BNC探針(底部)顯示出不同的雜訊水準。

圖7顯示了與圖6相同的測量結果,但是尖端短接(shorted)在一起。 在這種情況下,探棒對磁場更敏感。然而,兩條跡線的雜訊分量再次具有可比性──這次,10X探棒測得33mVPK-PK和1.6mV RMS,而同軸電纜探棒測量值為24mVPK-PK和1.2mV RMS。

圖7:與圖6相同的訊號和探針,但探針尖端短接,顯示磁場雜訊較低。

我們知道這些量測中的雜訊是EMI/RFI,解決RF擷取問題的答案,是從DUT到示波器主機殼的適當屏蔽。圖8顯示了應用適當屏蔽並在探針尖端短接的情況下進行量測的結果。 正如所期望的那樣,跟在EMI/RFI實驗中一樣,BNC探棒的訊號幾乎沒有雜訊。

圖8:相同的訊號和探針,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探棒發生什麼情況?請記住,這些跡線以相同的10mV/div刻度顯示,但10X探棒顯示出10倍的BNC探棒雜訊,原因是兩個探棒在示波器的放大器中都看到相同的雜訊,但它在10X探棒尖端反射了10倍。

這些例子表明,當使用任何類型的10X衰減探棒在示波器的雜訊底線(noise floor)處或附近採集低位準訊號時,你實際上已經放棄了10倍的訊號,但仍具有相同的雜訊量。你可以預期會看到訊號雜訊比(SNR)降低20 dB。

頻寬與電流負載

量測電源軌上的雜訊時還有另一個棘手的問題:如何在量測中實現高頻寬,同時最大限度地降低DUT上的電流負載?有鑑於DUT是電源軌,你不希望從中吸取太多電流,但是這兩個量測標準相互矛盾;這是一個窘境,它與互連訊號的基本特性有關。

假設你的探棒上有一條同軸電纜,示波器的輸入阻抗為1MΩ,你正在探測低阻抗的電源軌。如果有訊號從該軌瞬間發射到探棒,它會遇到1MΩ輸入阻抗並反射回來,從而引發振鈴週期(參考圖9)。

圖9:用一條6吋長的同軸電纜連結低阻抗電源軌和1MΩ輸入阻抗,會在訊號採集時產生反射和振鈴效應。

你將看到多大的振鈴取決於相對於示波器頻寬的同軸電纜長度。如果你想將振鈴頻率推高到超過1GHz示波器的頻寬限制,那麼同軸電纜要短於3吋,這是相當不切實際的。如果你正在使用儀器的全頻寬,超過3吋長度可能會看到顯示器上出現振鈴效應(ringing artifacts)。

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,要想不產生振鈴效應,可獲得的最高頻寬可能低於你的預期。

你可以透過在示波器上使用50Ω輸入終端來避免振鈴問題,這種終端可用於最小化電纜反射。但這又會出現一個窘境: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5V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100mA電流,如果你的軌供電100A,這不是問題,但如果它是低壓降穩壓器(LDO),最大電流只有200mA,示波器將吃掉你一半的裕量。

另一種選擇是使用10X衰減探棒。它有一個1MΩ的示波器輸入,因此它不會載入電源軌。如上所述,10X探棒將失去20dB的SNR。一些工程師在探棒尖端使用450Ω串聯電阻「自製」10X探棒,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,我們導入了10倍衰減,並在阻抗匹配上犧牲了SNR。

使用尖端同軸(coax-tipped)探棒可以量測高頻寬,但為此需要50Ω的負載;因此這會增加電源軌負載,基本上阻止我們探測承載超過5V的電源軌。通常測試和量測會需要折衷,在某種程度上,每種量測方案都將決定如何平衡這些折衷以取得最有意義的結果。

克服這些挑戰的方法是使用主動式探棒。電壓軌探棒在低頻時具有高阻抗,因此它們不會加重電源軌負載,但會在50Ω示波器輸入終端電阻中,加入一個具備隔直電容(DC blocking capacitor)的並聯高通濾波器。此外,電壓軌探棒通常可以耐受高達30 V的電壓,也能夠產生大的偏移(offset)。

(參考原文:The pitfalls of power-rail noise measurements,by David Maliniak)