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配電網路 (PDN) 必須為靈敏負載 (例如微處理器、DSP、FPGA 和 ASIC) 提供許多低雜訊 DC 電軌。追求更高速度和更高密度意味著更快的邊緣速率、更高的頻率和更多的電軌,以及更低的電壓位準和更高的電流。這會對訊號完整性和電源完整性帶來設計上的壓力。

進行電源完整性量測的目的是要驗證在所有預期的運作條件下,達到負載點 (POL) 的電壓和電流是否滿足負載的電軌規格。在 GHz 頻率下準確量測電軌雜訊的毫伏特時,需要特別注意。

在不阻隔直流電或對電軌造成負載的情形下測量高頻漣波

電軌的雜訊規格可能會以毫伏特 (mV) 的振幅上升到 MHz 或 GHz 頻率 範圍。

具有低雜訊貢獻和高頻寬的示波器可以進行這些量測,但是將訊號輸入到 儀器中則具有挑戰性。

示波器隨附的高阻抗 10X 被動式探棒應具有足夠的頻寬,但是會使您嘗試量測的雜訊衰減。然後,示波器會同時放大訊號和量測系統雜訊, 使其無法區分。

1X 探棒會傳遞雜訊 (而不衰減),但會受限於數個 MHz 頻寬。

使用 50 Ω 示波器輸入的傳輸線探棒或纜線可提供出色的高頻率效能, 但 DC 的負載會很大。

用於進行電軌量測的理想探棒,可提供直流高阻抗,並可作為高頻率交流電的 50Ω 傳輸線。 TPR1000 和 TPR4000 等電軌探棒的設計訴求在於以高頻寬因應 這些挑戰,不會造成衰減且沒有最低負載。

處理 1 V 至 48 V 及以上的電源

儘管許多 FPGA 和 SoC 的主電源電壓已急遽下降,但這些並不是唯一要考慮的 電源。晶片 I/O 電源可涵蓋比主邏輯電源更廣的範圍。為 POL 穩壓器或 電壓調節器模組 (VRM) 饋電的批量電源的電壓通常會高許多。

儘管許多示波器和探棒可提供一些直流偏移,但可能不足以處理您系統中的所有 電軌。在較低的每格伏特數 (較高的靈敏度) 設定下,儀器系統傾向支援 較少的偏移。雖然阻隔直流電是一個選項,但通常不是理想的做法 (請參閱上文)。

除了滿足上面概述的高頻需求外,TPR1000 和 TPR4000 等電軌探棒還提供了高偏移範圍 來因應各種電壓位準。

儘量減少量測系統雜訊貢獻

測量 10 mV 次級的雜訊時,需要特別注意量測系統雜訊。如上所述, 使用非衰減或 1X 探棒,可減輕示波器的放大器負擔。示波器的 內部雜訊和量測解析度也扮演很重要的角色。

6 系列 MSO 包括具有領先業界雜訊效能的新前端。示波器提供了 低至 50μV RMS和 466μV 峰值的開放通道雜訊。若與 TPR1000/4000 電軌探針配對, 系統雜訊可低至 70μV RMS

6 系列會以每秒 12.5 GS 的速率提供 12 位元解析度。高解析度功能會以每秒 625MS 及以下的速率 將解析度提高至 16 位元。4 和 5 系列 MSO 也會提供 12 位元解析度,而使用高解析度模式最高可達 16 位元。

測量配電網路阻抗

對於為 FPGA、處理器和其他復雜 IC 供電的 PDN,電軌阻抗必須很低, 以便提供高電流來回應快速變化的需求。但是,此網路是由許多阻抗所組成, 包括穩壓器、去耦電容器和 PCB 軌跡。高速切換牽涉到寬頻頻率, 而非預期的阻抗變化會導致過多的暫態或雜訊。在較寬的 頻率範圍內測量網路設計的阻抗,可確保網路不會 產生不想要的意外狀況。

傳統上,網路阻抗量測是使用 VNA 來執行,例如可測量 100 kHz 到 6 GHz 的 雙埠 TTR500。

5 和 6 系列 MSO 示波器可使用分析軟體、訊號產生器 (內建或 AFG31000 系列) 和隔離變壓器, 測量低至 10 Hz 的電軌阻抗。

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

使用同時頻譜和波形分析進行雜訊特性分析

假設您已量測電軌雜訊,而其不符合規格。其來自 直流-直流轉換器? 批量電源?PLL?時脈?串音?頻譜分析可提供 雜訊來源的線索 - 有助於讓雜訊頻率與切換頻率及諧波相關聯。

頻譜分析儀 (例如透過直流阻隔器連接到電軌的 RSA306) 有助於讓您深入了解 雜訊。
示波器上的 FFT 函數也很有用,但這些函數會使用示波器上的取樣時脈,因而難以或不可能同時查看頻譜和電壓波形。 4、5 和 6 系列 MSO 上 獨特的頻譜檢視提供了獨立的頻譜分析儀控制,因此您可同時查看同步的時域頻譜 和頻域波形。

使用自動分析軟體進行更快速的電軌量測

即使是進行簡單的量測 (例如數十個電軌上的漣波、過衝和激發), 都需要投注大量時間和關注細節。

5 和 6 系列 MSO 會隨著數位電源管理軟體一起提供,可自動進行這些重複性量測 並產生深入的報告。此軟體還包括抖動分析 (TIE、RJ、DJ 和 Eye 量測), 以檢查由您的 PDN 供電的時鐘和通訊訊號是否過度抖動。