克服电源轨噪声测量中的挑战

面包板社区 2019-06-08 11:11


现今的电路和系统工作于1.2 V甚至更低的电源轨,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。


配电网络(PDN)上的噪声测量已成为系统设计调试和故障排除的焦点。但是,确定PDN完整性的过程并非没有“陷阱”。本文将介绍PDN测量和探测所面临的一些挑战,以及可能导致错误结果的原因,并讨论如何克服它们。


当心射频拾取


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。


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。


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。


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。

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。


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。


因此,明显的补救措施是正确地屏蔽电池(图3),确保屏蔽罩连接到探头的返回线。

图3:探头周围的屏蔽,即使是粗糙的屏蔽也可以降低RF拾取噪声。


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。

图4:通过探头周围的屏蔽,与图3相比,示波器显示出降低的噪声。


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。

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。


因此,除非用屏蔽良好的同轴连接线,其它任何东西探测低电平信号都会受到干扰。任何与DUT屏蔽分开的裸露导体都会像天线一样。


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轴电缆。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。


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,然后将同轴电缆连接到这些点,那么您将大大减少电轨测量的EMI / RFI潜在影响。


了解10X探头


正如我们上面所显示的那样,EMI / RFI可能对电源轨测量造成严重破坏。 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?


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。

图6:使用10X衰减探头(顶部)捕获的信号波形和尖头开路的BNC探针(底部)显示出不同的噪声水平。


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,而同轴电缆探头测量值为24 mVPK-PK和1.2 mV RMS。

图7:与图6相同的信号和探针,但探针尖头短接在一起,显示磁场噪声较低。


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。


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。

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。


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。


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。


带宽与电流负载


测量电源轨上的噪声时还有另一个棘手的问题:如何在测量中实现高带宽,同时最大限度地降低DUT上的电流负载?鉴于DUT是电源轨,您不希望从中吸取太多电流。但是这两个测量标准相互矛盾。这是一个窘态,它与互连信号的基本特性有关。


假设您的探头上有一根同轴电缆。示波器的输入阻抗为1MΩ,您正在探测低阻抗的电源轨。如果有信号从该轨瞬间发射到探头,它会遇到1MΩ输入阻抗并反射回来,从而引发振铃周期(图9)。

图9:用一根6英寸长的同轴电缆连接低阻抗电源轨和1MΩ输入阻抗,会在信号采集时产生反射和振铃伪影。


您将看到多大的振铃取决于相对于示波器带宽的同轴电缆长度。如果您想将振铃频率推高到超过1 GHz示波器的带宽限制,那么同轴电缆要短于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。


实际应用中,你需要更长的同轴电缆。只要示波器的1MΩ输入阻抗与电源轨DUT的阻抗之间存在不匹配,就会产生反射和振铃。因此,要想不产生振铃伪影,可获得的最高带宽可能低于您的预期。


您可以通过在示波器上使用50Ω输入终端来避免振铃问题。这种终端可用于最小化电缆反射。


但这又有一个窘境:如果在示波器上使用50Ω输入端接,在电源轨上就会包含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。


另一种选择是使用10X衰减探头。它有一个1MΩ的示波器输入,因此它不会加载电源轨。如上所述,10X探头将失去20 dB的SNR。一些工程师在探头尖端使用450Ω串联电阻来制作“独创”的10X探头。负载是500Ω,而同轴电缆仍然是50Ω终端,所以他们都很高兴。但同样,我们引入了10倍衰减,并在阻抗匹配上牺牲了SNR。


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,这会增加电源轨负载,基本上阻止了我们探测承载超过5 V的电源轨。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。


克服每个挑战的方法是使用有源探头。电压轨探头在低频时具有高阻抗,因此它们不会将导轨向下加载,但会在50Ω示波器输入终端电阻中引入一个带有隔直电容的并联高通滤波器。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。


有源轨探头是满足探测电源轨独特挑战的最佳折衷方案。


本文同步刊登于电子工程专辑杂志2019年6月刊




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