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電源完整性仿真和測試解決方案

信號完整性 ? 來源:信號完整性 ? 2023-09-12 11:23 ? 次閱讀

簡介

高速數字電路電源完整性精確測量一直是個難題,以前大部分研發單位和公司并不進行這些電源完整性參數的測量。但是,隨著數字信號速率的不斷提升,特別是提升到 10Gbps 以上數量級后,電源完整性的測量成為關鍵測試項目之一,另外芯片和 CPU 的供電電平也越來越小,使得它對電平的變化更加敏感。因而,近來不斷地遇到客戶咨詢電源完整性的測試方案,所以是德科技的技術工程師們把電源完整性測試系統的技術背景和方案配置和關鍵性能指標整理如下。

電源完整性測量對象和測量內容

PI (Power Integrity),即電源完整性,以前隸屬于信號完整性分析專題,但是因為 PI 足夠復雜和關鍵,現在已經把其單獨拿出來作為一個專題去研究。快速而準確的仿真電源完整性至今仍然是一個有待突破的難題 (是德科技的 ADS 高級仿真軟件有專門支持電源完整性的方案)。

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對于高速數字電路和系統,電源完整性(PI)的研究對象是電源分配網絡 PDN(Power Distribution Network)。以筆記本電腦為例,ACDC 電源適配器供給計算機主板的是一個約 16V 的直流電源,主板上的電源分配網絡要把這個 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,給各個芯片供電。CPU 和 IC 用電量很大,而且是動態耗電的,瞬時電流可能很大,大到幾十甚至 100 多安培,也可能很小,小到低于 1mA,但無論電流如何變 化,電壓必須平穩(即紋波和噪聲必須較小),以保持 CPU 和 IC 的正常工作,這都對 PDN 提出了苛刻的要求。我們常見的電腦藍屏現象,往往和電源完整性密切相關,傳統的方案有很多局限性,我們希望隨著 Keysight 的優異方案的普及,電腦藍屏和其它電源完整性現象逐漸減少。

1. 電源完整性測試系統關鍵性能指標:

紋波測試能力:<=3mv(P-P),具體取決于具體的被測對象,也有場合是 20mV 左右。

阻抗測試能力:1 毫歐 ~ 50K 歐姆

頻率范圍:5Hz ~ 3GHz

基本測試精度:±2%

SMD 器件測試能力:頻率 DC ~ 3GHz

引腳器件測試能力:頻率 DC ~ 110MHz

直流偏置范圍:0 ~ ±40V

2. 電源完整性測試系統實現的測試功能:

電源紋波/噪聲/串擾測量,干擾源定位

直流-直流轉換器環路增益(幅度和相位)測量

PDN(電源分配網絡)毫歐姆級阻抗測量

濾波電容/旁路電容/磁珠等用于電源分配網絡的器件的阻抗和參數測量

激勵響應測試

電源完整性仿真

第一章 電源完整性時域分析之示波器

電源紋波和噪聲測量

今天的電子電路(比如手機、服務器等領域)的切換速度、信號擺率比以前更高,同時芯片的封裝和信號擺幅卻越來越小,對噪聲更加敏感。因此,今天的電路設計者們比以前會更關心電源噪聲的影響。實時示波器是用來進行電源噪聲測量的常用工具,但是如果使用方法和工具不對可能會帶來完全錯誤的測量結果。

工程師選擇示波器做電源噪聲測量的一個原因是電源噪聲帶寬很寬,但是不能忽略的是,實時寬帶數字示波器以及其探頭都有其固有的噪聲。如果要測量的噪聲與“示波器和探頭”的噪聲在相同數量級,那么要進行精確測量將是非常困難的一件事情。

示波器的主要噪聲來源于 2 個方面:示波器本身的噪聲和探頭的噪聲。

所有的實時示波器都使用衰減器和放大器來調整垂直量程,在不同的量程設置下,其對應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 Infiniium S 系列示波器的 2.5GHz 型號DSOS254A 為例,在滿帶寬,2mV/div 設置下,其本底噪聲是 120uVrms,在 10mV/div 設置下,其本底噪聲就變為 172uVrms,表 1 是 S 系列示波器在不同量程設置下的本底噪聲。從該表 1 我們可以得出一個結論,測量噪聲時應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直流電壓拉到示波器屏幕中心范圍進行測試,表 2 是常見示波器支持的偏置范圍,從表 2 我們可以得出第二個結論,沒有一臺示波器支持的偏置范圍可以覆蓋常見的直流電源被測對象,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量 AC 成分,要么使用隔直電容來完成測試, 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,示波器帶寬會降到 500MHz,示波器自身的本底噪聲會變大;使用隔直電容的缺點是將直流成分去掉的同時,也會把極低頻信號濾 除,電源信號本身就是低頻的,所以有機會把諸如電壓緩慢跌落等現象掩蓋了。表 1-1:Infiniium S 系列示波器在不同量程設置下的本底噪聲,適用于電源完整性測試的設置最多只有 4 個,在圖中以綠色標示。大部分情況下,應該使用每格 1mV~10mV 的設置。

量程設置 DSOS054A DSOS104A DSO204A DSOS254A DSOS404A DSOS604A DSO804A
每格 1mV 74uVrms 90uVrms 120uVrms 130uVrms 153uVrms 195uVrms 260uVrms
每格 2mV 74uVrms 90uVrms 120uVrms 130uVrms 153uVrms 195uVrms 260uVrms
每格 5mV 77uVrms 94uVrms 129uVrms 135uVrms 173uVrms 205uVrms 320uVrms
每格 10mV 87uVrms 110uVrms 163uVrms 172uVrms 220uVrms 256uVrms 390uVrms
每格 20mV 125uVrms 163uVrms 233uVrms 254uVrms 650uVrms 446uVrms 620uVrms
每格 50mV 372uVrms 456uVrms 610mVrms 650uVrms 1.3mVrms 1.3mVrms 1.4mVrms
每格 100mV 0.78mVrms 0.96uVrms 1.2mVrms 1.3mVrms 2.8mVrms 2.3mVrms 3.1mVrms
每格 200mV 1.6mVrms 2.0mVrms 2.6mVrms 2.8mVrms 6mVrms 4.9mVrms 6.4mVrms
每格 500mV 3.5mVrms 4.2mVrms 5.5mVrms 6mVrms 10.1mVrms 10.0mVrms 13.3mVrms
每格 1V 5.1mVrms 6.8mVrms 9.2mVrms 10.1mVrms 12.5mVrms 17.6mVrms 24.1mVrms

表 1-1:對于電源紋波測試,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帶來較大的測量誤差,該表給出 Infiniium S 系列示波器在不同量程設置下的本底噪聲,因其內部采用真實的硬件 10-bit 40GSa/s ADC,其指標遠高于其它示波器。

10 bits 的示波器,Infiniium S 系列示波器,其噪聲相對小的多,而且硬件支持 2mV/div 的靈敏度,所以,放棄 8 比特,采用 10 bits 示波器,是最好的選擇。

世面上也有一些其它 12 bits 的示波器,或者由于其內部 ADC 是商用產品或者由于其 ADC 本身是 8bit(2G 帶寬 6.25GSa/s 時只有 8bit)采用低帶寬的 ADC 拼接技術因而本底噪聲偏大,在和示波器自身硬件配合之后,其實際有效位比 Infiniium S 系列示波器要低 1 bit 左右,另外也不支持下一章介紹的電源完整性專用高阻探頭。

第二章 電源完整性時域分析之專用測試探頭

基于同樣的原因,在電源測量中也應該盡量使用 1:1 的探頭而不是示波器標配的 10:1 的探頭, 使用 10:1 的探頭,示波器的最小量程會被放大十倍,示波器的噪聲也會被放大。目前 N7020A 2GHz 1:1 單端有源探頭,N2820A探頭 500KHz~ 3MHz 帶寬,衰減比為 1:330,最小可測信號電壓為 3uV,電流為500nA,N2870A 1:1 35MHz 無源探頭是最常被工程師認可的探頭。其中 N7020A 是最適合電源完整性測試的探頭,可測量毫伏以及亞毫伏級的信號,N2870A 是最便宜的探頭,可測量 10mV 或以上的信號,N2820A 是最精密的探頭,即可用作差分探頭,也可用作電流探頭,電壓測量范圍為 3 uV~1.2 V,電流測量范圍為 500nA~5A,但帶寬僅為 500 KHz~3 MHz 。

探頭帶來的噪聲是在衰減器前面耦合進來的,在某些不正確的使用方法下,探頭可能會帶來額外的噪聲,一個典型的例子就是使用長地線。為了方便測試,示波器的的無源探頭通常會使用 15cm 左右的鱷魚夾形式的長地線,這對于電源紋波的測試是不適用的,特別是板上存在開關電源的場合。由于開關電源的切換會在空間產生大量的電磁輻射,而示波器探頭的長地線又恰恰相當于一個天線,所以會從空間把大的電磁干擾引入測量電路。一個簡單的驗證方法就是把地線和探頭前端接在一起,靠近被測電路(不直接接觸)就可能在示波器上看到比較大的開關噪聲。因此測量過程中應該使用盡可能短的地線。

現在很多被測件要求測量出峰峰值為幾毫伏的紋波和噪聲,比如有些 10Gbps 以上的 SerDes 要求 3mv 峰峰值的電源紋波和噪聲。這時候最好用 N7020A 來進行測量,它的直流阻抗為 50K 歐姆,對于毫歐甚至更高阻抗級別的被測電源來說,負載影響很小,測試精度非常高。

最后要注意的一點是,通常電源測試都規定了某個頻率范圍內的紋波和噪聲,比如 20MHz 以內的,但為了分析電源噪聲來源,需要在更寬的頻率范圍內分析,一般示波器的帶寬在滿足分析要求的同時,還要支持靈活的帶寬限制功能,這對于減小高頻噪聲會有比較好的效果。

小結一下,對于電源紋波噪聲的測試,通常需要注意以下幾點:

盡量不使用 8bits 示波器,而用S 系列 10 比特示波器

盡量使用專用的電源測試探頭 N7020A

盡量使用小衰減比的探頭,如 N7020A, N2820A,N2870A;

盡量使用示波器最小量程(硬件實現的量程,不是軟件放大),以降低示波器本底噪聲;

探頭的接地線盡量短,構成的環路面積盡可能小

根據需要使用帶寬限制功能,低通濾波器高通濾波器,甚至帶通濾波器。

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另外 N7020A 探頭還支持選配 N7023A 點測套件,該套件提供了全系列的靈活的連接附件,除了傳統的無源探頭探頭針尖和彈簧地針外還配有雙列直插式探針,以及小夾子,可直接夾在最小達 0201 封裝的貼片元件上。

第三章 電源完整性頻域分析之網絡分析儀

要測量 PDN 性能,首先需要用示波器測試 CPU 和 IC 管腳的電源紋波和噪聲。但是要精確衡量PDN 的性能,還需要測試PDN 的輸出阻抗(隨頻率變化的阻抗)和PDN 的傳輸阻抗(也是隨頻率變化的阻抗),就像表征一個單端口網絡或雙端口網絡一樣去表征 PDN。由于現在的 PDN 大都是開關電源結構,還需要測量PDN 或關鍵 DC 到 DC 轉換器件的環路增益。

小結一下,電源完整性的測量對象是電源分配網絡 PDN。主要測量內容包括四部分:

紋波和噪聲的測量;

輸出阻抗的測量;

環路增益的測量;

濾波器件(電容/磁珠等)性能參數的測量。

電源完整性測試挑戰和方法:毫歐級電源分配網絡 PDN 的輸出阻抗和傳輸阻抗測量

電源完整性分析對象主要是電源分配網絡 PDN(Power Distribution Network)。要衡量 PDN 性能,只用示波器測試 CPU 和 IC 管腳的電源紋波和噪聲是不夠的,而且出現問題后也沒有辦法定位問題。要精確衡量 PDN 的性能,還需要測試 PDN 的輸出阻抗(隨頻率變化的阻抗)和 PDN 的傳輸阻抗(也是隨頻率變化的阻抗),就像表征一個單端口網絡或雙端口網絡一樣去表征PDN。這就要用到網絡分析儀工具。

用網絡分析儀去測試 PDN,有兩大挑戰:

1、PDN 的輸出阻抗和傳輸阻抗是豪歐級的,想準確測試,是一件比較困難的事情。

2、PDN 工作時是帶直流電壓的,即帶偏置的,需要網絡分析儀有偏置測量的功能。

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圖 3-1. 用雙端口方法測試 PDN 輸出阻抗

用網絡分析儀測試毫歐級的輸出阻抗,不能簡單的用一端口測試方法,因為阻抗太小,反射太大。這時比較好的方法是用雙端口測試方法,如圖 3-1 所示。測試時用 S21 代替 S11。

假設探測試電纜電感約為 0,Z(DUT)遠小于 Zo(VNA 端口阻抗),PDN 輸出阻抗的計算公式如下:

Z(DUT)=Z11=S21*25(ohm)

用網絡分析儀測試毫歐級的輸出阻抗,也是用雙端口測試方法,如圖 3-2 所示。

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圖 3-2. 用雙端口方法測試 PDN 的傳輸阻抗

假設探測試電纜電感約為 0,Z11,Z21,Z22 遠小于 Zo,PDN 傳輸阻抗的計算公式如下:

Z21=Z12=S21*25(ohm)

針對這種的特殊測量要求,是德科技的矢量網絡分析儀 E5061B 推出了一個特殊的選件 3L5 幫助測試PDN。

1、功能全面的低頻到中頻網絡分析儀

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圖 3-3. E5061B-3L5 網絡分析儀

E5061B 低頻 - 射頻網絡分析儀的選件 3L5 可以在從 5 Hz 至 3 GHz 的率范圍內提供常用的網絡測量和分析功能。功能全面的低頻網絡測量能力 (包括內置的 1 MΩ 輸入) 都被完美地集成到這個高性能的射頻網絡分析儀之中。E5061B-3L5 是研發環境中進行器件和電路測量的理想儀表和工具,選件 005 提供阻抗參數和等效電路分析

2、S 參數測試端口

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圖 3-4. 使用 S 參數測試端口 S21

E5061B-3L5 在其完全能夠測量的從 5 Hz 到 3 GHz 的頻率范圍都有非常高的動態范圍,這可以使您對各種幾乎從直流到射頻的器件進行測試。

3、增益相位測試端口是德科技:雙端口測量和 S參數 - 靈活應用網絡分析儀3、增益相位測試端口

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圖 3-5. 直流到直流傳輸阻抗測量和環路增益測量

增益相位測試端口可以在從 5 Hz 到 30 MHz 的低頻測量范圍內直接把測試信號接入測量接收機。內置的 1 MΩ輸入使您能夠使用測量探頭輕松地對所測電路內的放大器和直流 - 直流轉換器的控制環路的參數進行測量。接收機端口可以精確地測量放大器的 CMRR/PSRR 和 PDN 毫歐量級的輸出阻抗,并且消除了測量中接地環路引入的測量誤差。

4、直流偏置源

E5061B-3L5 內置的直流偏置源可以從儀表內部把最高可達 ±40 Vdc 的直流偏置電壓疊加到從端口 1 或 LF OUT 端口上輸出的交流信號上。此外,如果在儀表的 S 參數測試端口上對被測器件進行測量時,它還可以從 LF OUT 端口輸出直流電壓。

小結:E5061B-3L5 是專門針對測試 PDN 而設計的網絡分析儀,滿足測量 PDN 輸出阻抗和傳輸阻抗的測量要求。

第四章 電源完整性仿真之仿真軟件

電源完整性的仿真

是德科技 EEsof 軟件家族中的 ADS(Advanced Design System)是一個完整的高速電路仿真設計平臺, 提供了完整的電源完整性設計解決方案。ADS 的版圖設計環境集成了 SIPro/PIPro 仿真分析工具,通過對電源完整性進行仿真, 可以完成以下工作:

直流電壓降分析

PCB溫度分布情況

PDN 阻抗提取與去耦電容優化

電源平面諧振分析

與電源相關的信號完整性分析, 如開關同步噪聲(SSN)

SI/PIPro 仿真分析工具包含以下功能:

PI-DC ,用于直流電壓降分析

PI-ET,用于電熱聯合仿真分析

PI-AC, 用于PDN 阻抗分析

PPR(Power Plane Resonance Analysis) ,用于電源平面諧振分析

SIPro(Power-Aware Signal Integrity Analysis),用于與電源相關的信號完整性分析。

CEMI,用于電源傳導仿真分析。

下圖 4-1 演示了 SI/PIPro 的軟件界面仿真能力。

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圖 4-1SI/PIPro 的軟件界面

PI-DC 分析

由于過大的直流電壓降,落在IC 電源端的電壓可能低于建議的最低電壓。這可能導致 IC 的故障。過高的電流密度在過孔處會生成過多的熱量,引起電路板裂開或燒化,導致故障。PI-DC 可以計算直流條件下的電壓、 電流,IR Drop (電壓降)、 電源供應網功率損耗密度等。它可以幫助你識別IC 和連接器的管腳和連接過孔等在直流工作條件下流過的電流密度,顯示芯片管腳電壓, 并給出設計裕量。

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(a)

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(b)

圖 4-2 直流電壓降分析結果

PI-AC 分析

PI-AC 分析用于提取PDN 阻抗特性,并且可以顯示電流密度, 了解熱點區域。提取的阻抗網絡可以直接轉化為 ADS 的原理圖,與電壓調節模塊(VRM)模型和去耦電容進行優化。

去耦電容優化的目的是達到目標阻抗的要求。目標阻抗可以通過以下公式計算:

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其中,? 表示最大允許的電源紋波, 是最大瞬態電流波動,通常設置為芯片最大電流的一半。

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圖 4-3 提取的 PDN 阻抗網絡與 VRM 和去耦電容的聯合仿真

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圖 4-4 仿真的 PDN 阻抗結果

ADS 提供了 10 余種優化方法, 可以實現去耦電容參數的快速搜索,實現最佳性能。通過分析去耦電容通過電流的大小, 可以剔除冗余電容, 降低設計成本。

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圖 4-5 PDN 阻抗的優化

電源平面諧振(PPR) 分析

電源平面諧振分析可以計算配電網絡(PDN)的自諧振頻率和相應的 Q 值。它可以幫助你實現去耦電容和過孔的優化布置。電源平面諧振會干擾敏感的模擬電路,并生成過量的輻射。這可能導致設計不能滿足 EMC 規范。

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圖 4-6電源平面諧振分析

電熱聯合仿真

電源完整性分析中還集成了電熱仿真功能,能夠實現電/ 熱協同仿真。電源完整性仿真引擎(DC Drop) 對電源網絡進行仿真,提供功率密度給熱分析器,熱分析器再根據器件功耗運行熱分析,系統多次迭代上述過程,獲取更新后的溫度值直到仿真收斂。電熱聯合仿真溫度顯示分布圖

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圖 4-7PCB電熱聯合仿真分析

與電源相關的信號完整性分析(SIPro)

SIPro 使用獨有的混合算法,可以同時快速提取信號走線(包含過孔)與電源平面的頻域模型。這一頻域模型可以直接轉換成 ADS 的原理圖, 用于電路仿真, 如時域瞬態(Transient)仿真, 通道(Channel) 仿真, DDR 總線仿真等。

開關同步噪聲(SSN)是電源噪聲的主要來源,也是造成信號完整性性能下降的重要問題。要進行 SSN 分析, 需要有詳細的元器件模型(通常是 SPICE 模型), 這類模型通常難以從芯片廠家直接獲得,并且仿真時間很長。IBIS 模型是由 IBIS Forum 提出的一種行為級模型, 它通過 I-V 和V-T 曲線表征芯片輸入輸出 Buffer 特性, 不涉及元器件的內部電路設計, 能夠有效保護廠家的知識產權, 因此, 芯片廠家更愿意提供 IBIS 模型給用戶進行信號完整性的設計。IBIS 5.0 和 5.1 的標準中提出了多個新特性(BIRD95.6,98.3,141), 用于支持對芯片電源特性的描述。ADS 軟件在業界率先實現了對以上新特性的支持,解決了之前的 IBIS 模型不能用于電源完整性分析的問題。

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圖 4-8 支持電源特性的 IBIS 模型仿真結果

傳導仿真分析(CEMI)

隨著在電子產品中往往需要進行EMC的檢測分析,傳導就是EMC的一種。為了更好地發現、避免以及解決傳導的問題。在PIPro中可以利用CEMI對電路進行傳導的仿真分析。下圖所示為CE的仿真結果。

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仿真后,還可以生成test bench,在ADS原理圖中做進一步的電路分析,以找到解決問題的方法。

第五章 電源完整性激勵域測試之碼型發生器

引言

脈沖函數任意波形噪聲發生器在壓力測試應用中的重要作用

情況分析

集成電路芯片通常安裝在印刷電路板(PCB)上,由電源分布網絡(PDN)供電。使用每個集成電路芯片時,都必須考慮到它對電源分布網絡的影響。大多數集成電路芯片只在改變狀態時消耗電流,這種不規律的用電給PDN帶來了很大失真,產生電源完整性的問題。

電源分布網絡出問題,會對其它電路產生干擾,增加噪聲,進而導致信噪比降 低,影響集成電路芯片輸出端口處的信號完整性。在最壞的場景中,電源噪聲有可能對集成電路的工作產生負面影響。同樣,直流電源電平的波動也會干擾集成電路的正確工作。

為了限制這些不利因素的影響,硬件工程師設計了一系列保護電路。保護集成電路芯片的常用方法包括:使用去耦電容抑制電壓波動,加入電感器限制噪聲電平。可是所有補償方法在最大限度減少直流電源失真的同時,也都存在各自的限制。

例如使用去耦電容時,電容器中的材料缺陷會產生等效的串聯電阻。電容器和封裝會產生等效的串聯電感。這些寄生效應會嚴重影響電容器的技術特性。電容器在高頻范圍內的特性更像是電感或電阻器――有違于它在電路中的最初用途。

方案配置

在真實條件下測試元器件和電路是一個必不可少的環節。在這個過程中,工程師可以評估PCB 的設計和功耗。測試還可以使工程師深入了解被測對象,增強被測件的總體性能。

圖 5-1 顯示了在設計過程中模擬真實環境的有效方法。表5-1 中匯總了該方案的組成部分。在圖 5-1 所示的配置中,Keysight E36311A 直流電源用于模擬被測電路中的電壓源。Keysight 81160A 任意波形噪聲發生器用于模擬信號失真。電源和噪聲發生器的輸出通過電感和電容器所構成的網絡合并。電感 L 可以防止信號的射頻分量進入直流電源。電容器 C 可以避免信號發生器(81160A)直流負載效應。這個網絡在技術資料中經常被稱為偏置 T 形接頭,因為它的形狀為 T 形,并可以提供“直流偏置”。

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圖 5-1. 模擬真實條件的測試裝置

是德科技解決方案
直流電源 E3631A 80W 三路輸出電源,6 V,5 A,以及 ±25 V,1A 或類似型號
發生器 81160A 或 81150A 脈沖函數任意波形噪聲發生器
示波器 Infiniium S 或 9000 系列示波器

表5-1 (81150A的噪聲碼型重復速率為26天。)

實現深入分析

Keysight Infiniium S 或 9000 系列示波器的一個主要特性是它能夠校準測試配置。換句話說,示波器能夠確認向被測器件(DUT)的輸入端,是否施加了正確的直流電壓和失真。(參見圖5-1 中測試點(TP1)處的連接。)

在圖 5-1 中的測試點(TP2)上,使用同一臺 9000 系列示波器來分析集成電路芯片輸出信號(圖中畫了兩臺示波器,但你可以只用一臺示波器)。一旦 81160A 添加的失真變得太大而無法補償時,集成電路芯片將產生物理層錯誤或協議層錯誤。這兩類錯誤可以用示波器檢測和分 析。

為了仿真真實條件下的功率失真,81160A 能夠生成上升時間/下降時間僅為 1 ns 的快速脈沖、隨機噪聲和各種任意波形。該發生器的另一個關鍵特性是能夠內部合并不同類型的信號,因此可以同時疊加電源分布網絡中的高斯白噪聲和間歇性毛刺。這種通道疊加(Channel Add)功能不僅能夠靈活地生成復雜波形,而且避免了外部接線的麻煩。可選擇的噪聲發生器波峰因數, 以及可以在20 1 天內不重復噪聲碼型的功能,確保噪聲接近于隨機噪聲,而不是確定性噪聲(這些功能是其它同類儀器無法提供的)。圖 5-2 顯示了通道疊加和噪聲產生功能的示例。在此例中,81160A 在通道 1 生成高斯白噪聲,在通道 2 生成高斯脈沖,然后在內部合并這兩種信號,再與電源的直流信號疊加,得到黃色軌跡。這是在時域中測得的結果。圖 5-2 所示的綠色軌跡是FFT頻譜分析結果 。利用這個功能,工程師可以深入分析被測器件的輸出性能。

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圖 5-2. 81160A 任意波形噪聲發生器的通道疊加功能在時域(黃色)和 頻域(綠色)下生成的壓力信號示例。

結論

工程師在開發新的電子器件時會遇到許多挑戰。印刷電路板上的集成電路芯片密度日益提 高,因此評測直流電源性能以及電源分布網絡(PDN)對設計中其他元器件的影響也變得越來越重要。要正確評測設計,工程師需要使用能夠模擬真實條件的測試配置。當工程師分析自己的設計時,測試方案各組件可以發揮重要作用,幫助他們最大限度減少失真并提高電源和信號的完整 性。

第六章 電源完整性測試之直流瞬態電壓及紋波噪聲模擬

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如上圖所示, 智能手機或筆記本電腦在待機或休眠狀態時,通常電流較小(mA 級別),但處于工作狀態下,消耗電流會瞬間提升至安培(A)級別。這種高達上千倍的電流動態會通常會導致供電電壓出現明顯的毛刺(幅度高達數十甚至數百 mV),造成處理器、存儲芯片等 IC 無法正常工作。

如何對電源在上述動態電流的條件下輸出電壓瞬態特性,或者芯片設計時進行 IC 對上述供電電壓瞬態的變化時的穩定性進行驗證?

動態負載模擬驗證電源的瞬態特性:

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N6705C 直流電源分析儀的 N678x 系列 SMU 模塊,支持任意波形的負載模擬,可以模擬幅度從 uA 級至A 級的大動態,us 至 ms 級的脈沖負載,并且支持高速,高精度的電壓及電流實時波形的測量,用于精確評估PMU, PMIC, LDO電源的瞬態性能。

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模擬具有瞬態特性的供電電壓驗證 IC 穩定性:

N6705C 直流電源分析儀

N676X 系列精密模組或 N678X 系列 SMU 模組,具有噪聲小,精度高,電壓調節速度快等特征,可用于任意瞬態供電電壓模擬,用于測試電路或 IC 在電壓瞬態時的可靠性。

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典型配置

型號 描述
N6705C 直流電源分析儀主機,支持任意波形,示波器,
數據記錄儀,電壓、電流表等功能
N6781A 20V,±1A 或 6V,±3A SMU 模塊
N6782A 20V,±1A 或 6V,±3A SMU 模塊
N6784A ±20V,±1A 或±6V,±3A SMU 模塊
N6785A 20V,±4A 或 6V,±8A SMU 模塊
N6786A 20V,±4A 或 6V,±8A SMU 模塊
N6761A 50V,1.5A 精密模塊
N6762A 50V,3A 精密模塊
14585A PC 端直流電源分析及控制軟件

最后一個部分,關于電源完整性測試系統和仿真軟件配置如下:

示波器部分

DSOS254A 2.5GHz 帶寬 10 比特示波器

N7020A 2GHz 1:1 電源完整性探頭(2 根)+N7023A點測套件

N2870A 35MHz 1:1 無源探頭 (2 根)

建議但不必須 : N2820A 極小信號測試差分電壓和電流探頭(500nA 或 3uV )

建議但不必須:N8833B-1FP 串擾分析軟件

網絡分析儀部分

E5061B(Opt 005,3L5) 網絡分析儀

1250-1250(x2),15442A

85033E

11667L

8120-1840(x4)

16201A(Opt 001),16195B

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

直流電源激勵部分

N7900 系列高級電源

N670C 直流電源分析儀 + N6762A DPS 模塊 + N6781A SMU 模塊

高速數字信號的電源完整性激勵部分

81160A 脈沖碼型任意波發生器

仿真部分

ADS W3625B,其中包含了ADS 核心環境、EMPro 核心環境、Layout、PIPro、SIPro、HSD電路仿真

審核編輯:湯梓紅

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