第一章   電源完整性時(shí)域分析之示波器

第二章   電源完整性時(shí)域分析之測(cè)試探頭

第三章   電源完整性頻域分析之網(wǎng)絡(luò)分析儀

第四章   電源完整性仿真域之仿真軟件

第五章   電源完整性激勵(lì)域測(cè)試之碼型發(fā)生器

第六章   電源完整性測(cè)試之直流瞬態(tài)電壓及紋波噪聲模擬

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簡(jiǎn)介

電源完整性，是指電源分配網(wǎng)絡(luò)的電壓和電流經(jīng)過(guò)直流轉(zhuǎn)換器、芯片、板卡和系統(tǒng)后，是否仍然符合要求。以筆記本電腦為例，AC 到 DC 電源適配器供給計(jì)算機(jī)主板的是一個(gè)約 16V 的直流電源，主板上的電源分配網(wǎng)絡(luò)要把這個(gè) 16V 直流電源變成各種電壓的直流電源（如 ：±5V，+1.5V，+1.8V，+1.2V 等），給 CPU 供電，給各個(gè)芯片供電。CPU 和 IC 是動(dòng)態(tài)耗電的，瞬時(shí)電流可能很大，大到幾十甚至 100 多安培，也可能很小，小到低于 1mA， 但無(wú)論電流如何變化，電壓必須平穩(wěn)（即紋波和噪聲必須較?。?，以保持 CPU 和 IC 的正常工作，這對(duì)電源分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提出了苛刻的要求。我們常見(jiàn)的電腦藍(lán)屏現(xiàn)象，往往和電源完整性密切相關(guān)。

電源完整性，以前隸屬于信號(hào)完整性分析專題，但是因?yàn)樗銐驈?fù)雜和關(guān)鍵，現(xiàn)在已經(jīng)把其單獨(dú)拿出來(lái)作為一個(gè)專題去研究。從測(cè)試和仿真的角度看，電源完整性和信號(hào)完整性是密不可分，相互關(guān)聯(lián)的，只不過(guò)側(cè)重有所不同。

不同的工程師日常所用的測(cè)試和驗(yàn)證手段各不同的，對(duì)問(wèn)題解讀和測(cè)試結(jié)果分析上也有差異，但總的來(lái)講，如上圖所示，有些工程師局限于電壓紋波測(cè)試，有些局限于使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，也有一部分工程師使用專用的波特圖測(cè)試儀，近年來(lái)，越來(lái)越多的工程師使用內(nèi)置任意波發(fā)生器的示波器做波特圖測(cè)試。

示波器是一臺(tái)觀察信號(hào)表象的儀器，主要用來(lái)測(cè)量電源紋波和串?dāng)_等（MXR  示波器內(nèi)置頻譜分析儀還可測(cè)試頻域干擾），網(wǎng)絡(luò)分析儀則可以觀察問(wèn)題本質(zhì)，在低頻幾個(gè) Hz 到 3GHz 頻段內(nèi)分析阻抗和相位，而仿真軟件則可以實(shí)現(xiàn)仿測(cè)聯(lián)合，在仿真階段實(shí)現(xiàn)一致性測(cè)試，在測(cè)試階段實(shí)現(xiàn)不可測(cè)點(diǎn)的仿真，因而，對(duì)于電源完整性工程師來(lái)說(shuō)，時(shí)域、頻域和仿真軟件三種不同的工具都是比不可以少的。

電源完整性測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)背景、方案配置和關(guān)鍵性能指標(biāo)整理如下。感謝是德科技的技術(shù)工程師，汪世龍、萬(wàn)俊輝、蔣修國(guó)、閆振龍和朱杰新，他們提供了更詳細(xì)的章節(jié)內(nèi)容，對(duì)每一部分進(jìn)一步展開(kāi)。

本文設(shè)計(jì)到的電源完整性測(cè)試系統(tǒng)配置：

示波器部分

●MXR254A ( 或 EXR254A) 2.5GHz 帶寬 10 比特示波器

●N7020A 2GHz 1:1 電源完整性探頭（2 根）

●N2870A 35MHz 1:1 無(wú)源探頭 (2 根)

●建議但不必須：D9110POWA 電源完整性分析軟件

●建議但不必須：N2820A 極小信號(hào)測(cè)試差分電壓和電流探頭 (500nA 或 3uV )●建議但不必須：CX3300 電流波形分析儀，14 或 16 比特分辨率，1GSa/s 采樣率

網(wǎng)絡(luò)分析儀部分

●E5061B(Opt 005，3L5) 網(wǎng)絡(luò)分析儀

●1250-1250(x2)，15442A

●85033E

●11667L

●8120-1840(x4)

●16201A(Opt 001)，16195B

●16092A，16192A(16192A/B/C/D，16197A 根據(jù)需要選擇），16047E

直流源激勵(lì)部分

●N7900 系列高級(jí)電源

●N6705B 直流電源分析儀 + N6762A DPS 模塊 + N6781A SMU 模塊

高速數(shù)字信號(hào)的電源完整性激勵(lì)部分

●81160A 脈沖碼型任意波發(fā)生器

仿真部分

●W2200 ADS 核心環(huán)境，W2302 瞬態(tài)卷積仿真軟件模塊，W2321 版圖編輯軟件模塊

●W2324 大規(guī)模版圖預(yù)處理器元件，W2341 Momentum G2 電路板電磁場(chǎng)分析及高級(jí)建模器軟件模塊

●W2342 FEM 頻域有限元電磁場(chǎng)仿真軟件模塊，W2401 EMPro 核心環(huán)境

電源完整性測(cè)試系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)：

●紋波測(cè)試能力：￡3mv（P-P），具體取決于具體的被測(cè)對(duì)象，也有場(chǎng)合是 20mV 左右。

●阻抗測(cè)試能力：1 毫歐 ~ 50K 歐姆

●頻率范圍 ：5Hz ~ 3GHz

●基本測(cè)試精度 ：±2％

●SMD 器件測(cè)試能力：頻率 DC ~ 3GHz

●引腳器件測(cè)試能力：頻率 DC ~ 110MHz

●直流偏置范圍 ：0 ~ ±40V

電源完整性測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的測(cè)試功能 ：

●電源紋波 / 噪聲/ 串?dāng)_測(cè)量，干擾源定位

●直流 - 直流轉(zhuǎn)換器環(huán)路增益（幅度和相位）測(cè)量

●PDN（電源分配網(wǎng)絡(luò)）毫歐姆級(jí)阻抗測(cè)量

●濾波電容/ 旁路電容 / 磁珠等用于電源分配網(wǎng)絡(luò)的器件的阻抗和參數(shù)測(cè)量

●激勵(lì)響應(yīng)測(cè)試

●仿真、仿測(cè)聯(lián)合

第一章     電源完整性時(shí)域分析之示波器

電源紋波和噪聲測(cè)量

選擇紋波和噪聲測(cè)量的方法，首先要確定是是在系統(tǒng)中測(cè)量還是在系統(tǒng)外測(cè)量，然后再確定采用直接測(cè)量還是間接測(cè)量。當(dāng)然，還要選擇測(cè)量的域（時(shí)域或者頻域）。（就像測(cè)量信號(hào)幅值一樣，直接測(cè)量就是對(duì)紋波和 / 或噪聲進(jìn)行測(cè)量。這是噪聲的一種絕對(duì)測(cè)試。另一個(gè)方面，間接測(cè)量測(cè)量的不是噪聲，而是噪聲影響。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 的時(shí)鐘就是一個(gè)很好的例子。ADC 的噪聲水平與時(shí)鐘抖動(dòng)密切相關(guān)，而時(shí)鐘抖動(dòng)與電源噪聲緊密相關(guān)。在很多情況下，通過(guò)測(cè)量抖動(dòng)來(lái)評(píng)估電源噪聲比直接測(cè)量信號(hào)噪聲更有意義）

因此，工程師選擇示波器做電源紋波和噪聲測(cè)量通常有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）時(shí)域?qū)用?，示波器能?duì)紋波和噪聲進(jìn)行最直觀的測(cè)量；

2）頻域?qū)用?，MXR 示波器雖然不支持阻抗測(cè)試，但其內(nèi)置的實(shí)時(shí)頻譜分析儀功能，可幫助快速定位射頻干擾源；

3）系統(tǒng)內(nèi)測(cè)量 / 直接測(cè)量層面，靈活的探頭配置，勝任低本底噪聲下的紋波和噪聲測(cè)試 ；

4）系統(tǒng)外測(cè)量 / 間接測(cè)量層面，內(nèi)置豐富軟硬件功能支持多種系統(tǒng)級(jí)測(cè)試；

i.基于電源完整性的串?dāng)_分析軟件

ii.內(nèi)置任意波形發(fā)生器支持波特圖分析（環(huán)路響應(yīng)測(cè)試）    iii.內(nèi)置任意波形發(fā)生器支持 PSRR 分析

實(shí)時(shí)數(shù)字示波器測(cè)試波形沒(méi)有問(wèn)題，但示波器及其探頭都有其固有的本底噪聲。如果要測(cè)量的噪聲與“示波器和探頭”的噪聲在相同數(shù)量級(jí)，那么要進(jìn)行精確測(cè)量將是非常困難的一件事情。

示波器的主要噪聲來(lái)源于 2 個(gè)方面 ：示波器本身的噪聲和探頭的噪聲。

所有的實(shí)時(shí)示波器都使用衰減器和放大器來(lái)調(diào)整垂直量程，在不同的量程設(shè)置下，其對(duì)應(yīng)的放大比或衰減比是不同的，示波器的本底噪聲也是不同的。以 MXR 系列示波器的 2GHz 型號(hào) MXR0254A 為例，在滿帶寬，1mV/ div 設(shè)置下，其本底噪聲是 91uVrms，在 10mV/div 設(shè)置下其本底噪聲就變?yōu)?131uVrms，表 1 是 MXR 系列示波器在不同量程設(shè)置下的本底噪聲。從該表 1 我們可以得出一個(gè)結(jié)論，測(cè)量噪聲時(shí)應(yīng)盡可能使用示波器最靈敏，也就是最小，的量程檔。但是示波器在最靈敏檔下通常不具有足夠的偏置范圍可以把被測(cè)直流電壓拉到示波器屏幕中心范圍進(jìn)行測(cè)試，表 2 是常見(jiàn)示波器支持的偏置范圍，從表 2 我們可以得出第二個(gè)結(jié)論，沒(méi)有一臺(tái)示波器支持的偏置范圍可以覆蓋常見(jiàn)的直流電源被測(cè)對(duì)象，因此通常需要利用 N7020A 這樣的電源完整性專用探頭將直流偏置范圍提升到 +/-24V，否則，你要么使用 AC 耦合把直流電平濾掉只測(cè)量 AC 成分，要么使用隔直電容來(lái)完成測(cè)試，但所有示波器僅在 1M 歐姆輸入阻抗情況下支持 AC 耦合，在此條件下，示波器帶寬會(huì)降到 500MHz， 示波器自身的本底噪聲會(huì)變大 ；使用隔直電容的缺點(diǎn)是將直流成分去掉的同時(shí)，也會(huì)把極低頻信號(hào)濾除，電源信號(hào)本身就是低頻的，所以有機(jī)會(huì)把諸如電壓緩慢跌落等現(xiàn)象掩蓋了。表 1-1 ：MXR 系列示波器在不同量程設(shè)置下的本底噪聲，適用于電源完整性測(cè)試的設(shè)置最多只有 4 個(gè)，在圖中以綠色標(biāo)示。大部分情況下，應(yīng)該使用每格 1mV ~ 10mV 的設(shè)置。

表 1：對(duì)于電源紋波測(cè)試，建議使用最靈敏的垂直刻度，盡可能使用示波器的小量程，否則，示波器自身的本底噪聲會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差， 該表給出 MXR 系列示波器在不同量程設(shè)置下的本底噪聲。

表 2 ：MXR 系列示波器本身的直流偏置范圍如上表所示，電源紋波測(cè)試一般使用示波器 50 歐姆輸入阻抗，這時(shí)，其直流偏置范圍有限。

MXR/EXR 系列示波器提供多款電源完整性分析套件：

1. 時(shí)域分析工具，開(kāi)關(guān)電源分析軟件D9010PWRA，可通過(guò)輸入分析、開(kāi)關(guān)器件表征和輸出分析嘞實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的電源特性測(cè)量；

2. 頻域分析工具，內(nèi)置任意波形發(fā)生器搭配軟件D9010PWRA 進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)量，例如電源抑制比（PSRR）和波特圖測(cè)試（控制環(huán)路響應(yīng)分析）；

3. 電源軌和PMIC 完整性― D9010POWA（可按此型號(hào)搜索技術(shù)資料）分析工具，搭配N7020A 或N7024A 電源軌探頭。該分析應(yīng)用程序讓用戶可以將直流電源定義為“受害者信號(hào)”或“侵略者信號(hào)”并量化所涉及的不利影響。

舉例 1 ：基于示波器平臺(tái)進(jìn)行的環(huán)路響應(yīng)測(cè)試（波特圖測(cè)試）

波特圖主要通過(guò)兩個(gè)裕量（增益裕量和相位裕量）來(lái)評(píng)估電源的穩(wěn)定性。若兩個(gè)裕量都大于 0，則電路不會(huì)震蕩。裕量越大，電路越穩(wěn)定。

舉例 2 ：基于示波器平臺(tái)進(jìn)行的 PSRR 測(cè)試（電源抑制比）

PSRR 是衡量 dc - dc 變換器從輸入到輸出抑制噪聲的能力的指標(biāo)。它被定義為在較寬的頻率范圍內(nèi)輸入紋波與輸出紋波的比值，并以 dB 為單位對(duì)頻率進(jìn)行對(duì)數(shù)繪制。為了進(jìn)行測(cè)量，Infiniium MXR（和 EXR）- 系列示波器使用自己內(nèi)置的 WaveGen 從用戶定義的開(kāi)始頻率到用戶定義的停止頻率掃描輸入，同時(shí)測(cè)量每個(gè)步進(jìn)頻率的VIN 和 VOUT。

舉例 3 ：基于 D9010POWA 搭配 N7020A/N7024A 的電源和數(shù)據(jù)線間的串?dāng)_測(cè)試，圖中所示為定義直流電源為“侵略者信號(hào)”，以此量化該“侵略者信號(hào)”對(duì)串行鏈路數(shù)據(jù) ―“受害者信號(hào)”所涉及的不利影響。

在這個(gè)例子中，N7020A 電源軌探頭被用來(lái)測(cè)量一個(gè)正在傳輸串行數(shù)據(jù)流的 FPGA 的 1.1V 電源。1.1 V 電源有大約 115 mVpp 的噪聲或大約 ±5% 的噪聲。

上圖 ：左圖，F(xiàn)PGA 直流電源和 MXR/EXR 系列示波器捕獲的串行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)線（黃線）；電源（藍(lán)線）。

通過(guò) D9010POWA 的分析軟件，我們可以不用實(shí)際在直流電源上讓這個(gè) 1.1V 的供電變“干凈”，而是通過(guò)軟件分析出1.1V 電源上的噪聲造成了多大的影響。下圖展示的就是通過(guò) D9010POWA 搭配 N7020A/N7024A 探頭測(cè)量， 來(lái)剔除由于 1.1V“不干凈”的電源對(duì)串行數(shù)據(jù)信號(hào)帶來(lái)的串?dāng)_影響的。

上圖 ：從上之下，串行數(shù)據(jù)和“不干凈”的 1.1V 直流電源信號(hào)，實(shí)測(cè)的由于電源串?dāng)_所影響的串行數(shù)據(jù)眼圖（眼寬 63ps）， D9010POWA 軟件推測(cè)的去除 1.1V“不干凈”直流電源信號(hào)后的串行數(shù)據(jù)眼圖（眼寬 117ps）。

第一章分享結(jié)束，即將分享：第二章   電源完整性時(shí)域分析之測(cè)試探頭

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