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电源噪声测试有什么挑战

现今的电路和系统事情于1.2 V以致更低的电源轨,纵然偏离标称值的微小变更也会孕育发生误码。哆嗦、差错开关及与瞬态相关的问题都可能会给你带来难题。

配电收集(PDN)上的噪声丈量已成为系统设计调试和故障扫除的焦点。然则,确定PDN完备性的历程并非没有“陷阱”。本文将先容PDN丈量和探测所面临的一些寻衅,以及可能导致差错结果的缘故原由,并评论争论若何降服它们。

警惕射频拾取

来自EMI / RFI的噪声是最大年夜的寻衅难题,纵然是1.5 V电池的电压丈量也会显而易见。在电池的内部电化学反映和因为探测引起的一点电流耗损之间,我们可以预感到电压迹线上会有一些小量的噪声。

考试测验将电池放入支架并探测其端子,您会对示波器屏幕上呈现的噪音量认为惊疑。图1中的顶部迹线是电池的电压迹线(品血色,ch2)。作为参考,底部迹线(黄色,ch1)显示示波器的噪声基底丈量值。两条迹线都应用相同的垂直刻度。电池的迹线显示出其电压的高噪声远远越过预期。匀称电压为1.56 V,噪声为33 mVPK-PK。

图1: 1.5 V电池的初始丈量结果显示噪声(上部迹线)和示波器的基底噪声(下部迹线)。 显然,外部噪声已进入丈量系统。

有用的同等性反省是在频域中查看此旌旗灯号(图2)。 从全频谱图(上部迹线),我们看到噪声确凿是宽带,达到了示波器的全带宽(在这种环境下为1 GHz),而且没有衰减迹象。

图2:电池电压丈量的频谱阐发视图显示出其真正的宽带(上部迹线),鄙人部迹线中显示的前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的放大年夜视图。 它揭示出显着的噪声峰值,稀罕的是,它恰恰从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。

是以,显着的解救步伐是精确地樊篱电池(图3),确保樊篱罩连接到探头的返回线。

图3:探头周围的樊篱,纵然是粗拙的樊篱也可以低落RF拾取噪声。

增添樊篱的区别在图4的下部迹线很显着。樊篱可将噪声从大年夜约-60 dBm范围减小到-100 dBm范围,削减了4倍,幅度约为45 nV。

图4:经由过程探头周围的樊篱,与图3比拟,示波器显示出低落的噪声。

作为终极的完备性反省,让我们将有适当樊篱的电池噪声与示波器的噪声基底丈量值进行对照(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(品血色,上部迹线),它们险些是相同的。

图5:当电池有EMI / RFI樊篱时,示波器的基底噪声丈量(黄色)和樊篱的电池丈量(品血色)险些完全相同。

是以,除非用樊篱优越的同轴连接线,其它任何器械探测低电平旌旗灯号都邑受到滋扰。任何与DUT樊篱分开的暴露导体都邑像天线一样。

EMI-RFI拾取平日具有宽带特点。为了最大年夜限度地削减这方面的影响,您的探头尖端应尽可能地设计为同轴电缆。这一尖真个任何电感都邑低落丈量带宽,并可能导致丈量中呈现振铃。更糟糕的是,您将得到“天线效应”,而且探头轻易受到EMI / RFI拾取影响。以是,要确保示波器和DUT之间的连接看起来尽可能像同轴连接。

测试性设计方面,假如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,那么您将大年夜大年夜削减电轨丈量的EMI / RFI潜在影响。

懂得10X探头

正如我们上面所显示的那样,EMI / RFI可能对电源轨丈量造成严重破坏。 是以,您应始终关注示波器探头的某些特点,即10X衰减探头,平日在新示波器的盒子中可以找到。应用10X衰减探头,而不是带微夹钳尖真个BNC探头时,我们会获得什么样的结果?

图6显示了两条迹线中可对照的噪声拾取量。 在尖头开路的环境下,探针对电场更敏感。 10X探针丈量值为72 mVPK-PK和11 mV RMS,而同轴探针丈量值为36 mVPK-PK和4.2 mV RMS。

图6:应用10X衰减探头(顶部)捕获的旌旗灯号波形和尖头开路的BNC探针(底部)显示出不合的噪声水平。

图7显示了与图6相同的丈量结果,然则尖头短接在一路。 在这种环境下,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。 此次,10X探头测得33 mVPK-PK和1.6 mV RMS,而同轴电缆探头丈量值为24 mVPK-PK和1.2 mV RMS。

图7:与图6相同的旌旗灯号和探针,但探针尖头短接在一路,显示磁场噪声较低。

我们知道这些丈量中的噪声是EMI / RFI。 办理RF拾取问题的谜底是从DUT到示波器机箱的适当樊篱。

图8显示了利用适当樊篱并在探针尖头短接的环境下进行丈量的结果。 正如所期望的那样,跟在EMI / RFI实验中一样,BNC探头的旌旗灯号险些没有噪声。

图8:相同的旌旗灯号和探针,其尖端短路如图7所示,但利用适当的樊篱显示出EMI / RFI低落。

10X探头发生了什么?请记着,这些迹线以相同的10 mV/div刻度显示(拜见提示)。但10X探头显示出10倍的BNC探头噪声。缘故原由是两个探头在示波器的放大年夜器中都看到相同的噪声,但它在10X探头尖端反射了10倍。

这些例子注解,当应用任何类型的10X衰减探头在示波器的本底噪声处或相近采集低电平旌旗灯号时,您实际上已经放弃了10倍的旌旗灯号,但仍具有相同的噪声量。您可以看到信噪比(SNR)会低落20 dB。

带宽与电流负载

丈量电源轨上的噪声时还有另一个棘手的问题:若何在丈量中实现高带宽,同时最大年夜限度地低落DUT上的电流负载?鉴于DUT是电源轨,您不盼望从中罗致太多电流。然则这两个丈量标准互相抵触。这是一个窘态,它与互连旌旗灯号的基础特点有关。

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。假如有旌旗灯号从该轨瞬间发射到探头,它会碰到1MΩ输入阻抗并反射回来,从而激发振铃周期(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,会在旌旗灯号采集时孕育发生反射和振铃伪影。

您将看到多大年夜的振铃取决于相对付示波器带宽的同轴电缆长度。假如您想将振铃频率推高到跨越1 GHz示波器的带脱期制,那么同轴电缆要短于3英寸,这是相称不切实际的。假如你正在应用仪器的全带宽,跨越3英寸长度可能会看到显示器上呈现振铃伪影。

实际利用中,你必要更长的同轴电缆。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,就会孕育发生反射和振铃。是以,要想不孕育发生振铃伪影,可得到的最高带宽可能低于您的预期。

您可以经由过程在示波器上应用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。

但这又有一个困境:假如在示波器上应用50Ω输入端接,在电源轨上就会包孕50Ω负载。假如丈量5 V电压轨,这是示波器中的50Ω电阻可以遭遇的最高电压,它将耗损100 mA电流。假如您的轨供电100 A,这不是问题。但假如它是LDO,最大年夜电流只有200 mA,示波器将吃掉落你一半的裕量。

另一种选择是应用10X衰减探头。它有一个1MΩ的示波器输入,是以它不会加载电源轨。如上所述,10X探头将掉去20 dB的SNR。一些工程师在探头尖端应用450Ω串联电阻来制作“独创”的10X探头。负载是500Ω,而同轴电缆仍旧是50Ω终端,以是他们都很痛快。但同样,我们引入了10倍衰减,并在阻抗匹配上就义了SNR。

应用同轴探针可以丈量高带宽,但为此必要50Ω的负载。反过来,这会增添电源轨负载,基础上阻拦了我们探测承载跨越5 V的电源轨。平日,测试和丈量涉及到折中。在某种程度上,每种丈量规划都将抉择若何平衡这些退让以得到最故意义的结果。

降服每个寻衅的措施是应用有源探头。电压轨探头在低频时具有高阻抗,是以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,电压轨探头平日可以遭遇高达30 V的电压,并且能够孕育发生大年夜的偏移。

有源轨探头是满意探测电源轨独特寻衅的最佳协调规划。

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