快速、精确测量电源完整性的5个技巧

wang7812 · 发表于 2019-2-28 22:24:13

[/free]随着电源轨电压(rail voltage)和容差越来越小，对电源完整性进行精确测量也变得越来越困难。过去，任何示波器都能够测量5V电源轨上10%容差的涟波(ripple)，因为500mV要求远高于示波器的噪声位准(noise level)；但现在，无论使用何种示波器都难以测量1V电源轨上2%容差的涟波电压。本文介绍了五种利用示波器精确测量电源完整性的技巧。

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图1：电源轨直流电压及其容差。

技巧1：调整显示特性

波形强度(waveform intensity)

测量电源轨直流电压容差需要测出最坏情况下的电压峰-峰值(Vpp)，这可透过自动化测量完美实现；有时目测判定也很有用，所有示波器均有显示设置，使用者可透过该设定改变波形强度。该强度值通常被设为约50%，将强度设为更高的值可让使用者更轻松地查看出现频率较低的波形对应的示波器像素。但增加波形强度的不利之处在于，这样更难以判断任何特定像素上显示波形的出现频率；虽然这对于观察调变信号很重要，但这种分辨率对于电源完整性测量通常并不重要。
无限持续时间(Infinite persistence)
打开无限持续时间模式可让连续采集的波形累迭显示；无限持续时间对于建档也非常有用，示波器可显示较长时间内的直流电压容差范围。
色彩分级(Color grading)
打开色彩分级模式可生成电源轨波形的3D图；色彩分级结合无限持续时间显示有助于更深入地认识电源轨信号。

技巧2：降低噪声

选择低噪声示波器

如果信号强度小于示波器和探棒/缆线系统的噪声，你永远也测量不出该信号。信号在进入示波器后、进入模拟数字转换器(ADC)前，会迭加前端噪声；然后每个储存的样本除了包含原始的信号值，也会存在一些偏移量(offset)，偏移量大小取决于获取样本时存在的噪声大小。使用者将在示波器的显示屏上看到较粗波形，不要将它与快速更新速率相混淆。大于真实信号的峰-峰值会显示并被测量到。
最好的方法是使用噪声更低的示波器。如何确定示波器的噪声水平？大多数示波器制造商都会提供产品规格表，列出该特定示波器的典型均方根(RMS)噪声值；这些噪声值是根据大量示波器样本所特征化。噪声是一种特征(characteristic)而非规格，制造商只会提供RMS噪声的典型值，但噪声的峰-峰值其实才是影响精确测量涟波的重要因素。

图2：噪声是导致电源轨直流涟波测量不准确的主要原因。
一个简单的方法是自己测量。快速特征化仅需几分钟，且无需使用外部设备。断开示波器的所有输入，打开Vpp测量，设置噪声测量的垂直刻度和采样率，让示波器运行，直到获得稳定且一致的Vpp噪声值。噪声水平取决于垂直灵敏度设置、带宽设置和阻抗选择(50Ω或1MΩ)，并且在同一示波器上的不同信道上会存在微小的差别。
不同制造商的示波器的噪声水平差异可能会高达100%，如果需要精确地测量涟波，请确保选择噪声水平更低的示波器。

选择噪声最低的信号路径阻抗

用于测量电源完整性的示波器通常具有两种信号路径阻抗：50Ω和1MΩ；使用者可以使用支持其中任意一种阻抗的探棒，或者使用缆线来完成电源轨测量。
对于具有上述两种阻抗的示波器来说，50Ω阻抗通常噪声更小，且支持示波器全带宽。1MΩ路径上的噪声可能是50Ω路径上的噪声的两到三倍，并且1MΩ路径上的带宽通常限制为500MHz，因此50Ω路径是测量电源完整性的最佳选择。
电源轨的输出阻抗通常为mΩ等级。对于没有任何探棒的缆线测量设备来说，50Ω路径具有50Ω的直流输入阻抗，会产生一些负载效应，从而会减小电源轨直流幅度值。使用专用电源完整性探棒，例如具有50kΩ输入阻抗的R&S RT-ZPR20，可以最大限度地减低该问题的影响。
由于不匹配的1MΩ和50Ω传输线之间会发生反射(reflection)，因此不建议将50Ω缆线(例如 50Ω尾纤同轴线)直接连接到示波器的1MΩ输入端。

使用最灵敏的垂直刻度

示波器噪声位准与示波器全屏幕垂直刻度值有关。因此，使用更灵敏的垂直分辨率将会减少测量的总噪声量。此外，当放大信号使其覆盖大部分垂直范围时，示波器将更充分利用ADC分辨率，这时Vpp的测量值将更准确。

限制带宽

噪声具有宽带特性，在示波器未连接输入的情况下打开FFT功能，便可看到示波器的整个带宽上存在的噪声。打开带宽限制滤波器可以降低宽带噪声，有助于更精确地测量电源轨，但缺点在于如果带宽限制设定值太低，较高频率的异常就不会显示。
应该使用多大带宽？答案是这取决于具体的信号。虽然切换速度可能在kHz范围内，但快速边缘(fast edges)会产生MHz范围的谐波。对于频率更高的耦合信号，包括频率谐波，则需要更大的带宽来撷取这些信号。R&S RTO和R&S RTE数字示波器均配备了带宽限制滤波器。此外，HD模式可进一步降低宽带噪声，并将垂直分辨率提高到16位。
选择合适的探棒(衰减、带宽和连结)
使用具有1:1衰减比(attenuation ratio)的探棒可以显着提高测量电源完整性的精确度；具有较高衰减比的探棒会放大噪声，较高的衰减比则会限制可以使用的垂直灵敏度。例如在输入低至1 mV/div的示波器上使用衰减比为1:1的探棒就可以将灵敏度缩小至1mV/div，而使用衰减比为10:1的探棒只能设置至10 mV/div。
如何探测电源轨信号与其他技巧一样重要。一些用户将电源轨链接至信号质量高、便于连接的SMA连接器；有些使用者是选择焊接连结，也有使用者选择在旁路电容使用夹具作为简易的接点；还有人是使用手持式探棒。每种技巧在易用性、所需的前期规划和信号质量方面都各有利弊。

图3：对于小信号，使用衰减比为 1:1 的探棒可以获得更精确的测量结果。
为了获得高精度测量结果，Rohde & Schwarz建议使用SMA接头或焊接式50Ω SMA尾纤同轴电缆(pigtail coax，包括探棒)的R&S RT-ZPR20电源完整性探棒。该探棒可提供2GHz全带宽，且噪声极低。虽然该探棒的带宽规格为2.0GHz，但其频率响应的滚降(roll-off)较慢，并能撷取电源轨上可能耦合的2.4GHz Wi-Fi信号。尽管2.4 GHz幅度值将衰减至3dB左右，但撷取这些耦合信号的能力对于查找耦合源非常重要。
使用R&S RT-ZPR20探棒搭配R&S RT-ZA25探棒头(browser)时，带宽将降至350MHz。使用能够最大限度减小接地回路面积的接地装置，例如接地弹簧(ground spring)，可有效提升测量精确度。

技巧3：达到足够的偏移量

交流耦合和阻隔电容

示波器内建的偏移量通常不足以让使用者将波形放置在显示器中央并放大显示，这会导致两个负面因素：示波器只使用一小部分ADC垂直分辨率并使用更大的垂直刻度，从而产生额外的噪声；这会降低测量品质。
如果在选定的路径和探棒上使用阻隔电容(blocking caps)或示波器的交流耦合(AC coupling)模式，将去除信号中的直流分量；这可以解决部分问题，但会无法看到实际的DC值和漂移(drift)。

内建偏移的探棒

一些探棒具有额外的内建偏移，其优势在于可让使用者获得足够的偏移量，从而能看到真实的DC值和低频特性，诸如漂移和骤降(sag)。R&S RT-ZPR20电源完整性探棒具有±60V的内建偏移和850mV的动态范围，这意味着使用者可以在-60V和+60V的范围内查看直流电源轨上高达850mV的交流特性。

技巧4：评估开关与EMI

频域图

特征化电源轨通常需要确保电源轨上没有耦合干扰信号，此外用户有时需要考虑开关谐波(switching harmonics)。查看时域(time domain)波形无法确定这些干扰因素，但透过示波器的FFT功能可以在频域看到这些干扰。
查看频域波形需要多大的带宽？这取决于电源轨上可能耦合的潜在信号，包括频率信号和快速边缘谐波。

图4：查看电源轨在时域中的波形图可以得到Vpp；但要找出并隔离电源轨上的耦合信号(例如本例中的2.4 GHz Wi-Fi信号)，则需要使用频域图。

技巧5：加快测量速度

更新速率对电源完整性测量速度的影响

电源轨测量需要找出最坏情况下的电压值，建立高可靠度意味着在更长时间内进行数百或数千次测量；这会耗费很长的时间，而且过程也会很枯燥。电源完整性测量的独特之处在于它们通常需要很长的时间跨度，为了保持更高的带宽，示波器需要更高的采样率，从而将占用大量的内存。
例如，在采样率为10 Gsample/s的情况下，1毫秒(millisecond)撷取的数据需要使用10 Msample的内存，10毫秒撷取的数据需要使用100 Msample的内存。
波形更新速率用于描述示波器处理内存、在显示器上显示结果并开始撷取新数据的速度；举例来说，R&S RTO和R&S RTE数字示波器的更新速率高达100万个波形/秒。快速的更新速率则意味着可以更快地完成Vpp和FFT等测量。许多示波器的最大更新速率在每秒数十次或数百次采样的范围内，这意味着这种示波器要准确获得最坏情况下的容差测试，所需时间比更新速率高的示波器要高出几个等级。更新速率高的示波器能让使用者更快速地完成精确测量。
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