最全电源完整性仿真和测试白皮书①

第一章 电源完整性时域分析之示波器
第二章 电源完整性时域分析之专用测试探头
第三章 电源完整性频域分析之网络分析仪
第四章 电源完整性仿真之仿真软件
第五章 电源完整性激励域测试之码型发生器
第六章 电源完整性测试之直流瞬态电压及纹波噪声模拟

电源完整性的测试和仿真推荐配置。

简介

高速数字电路电源完整性精确测量一直是个难题，以前大部分研发单位和公司并不进行这些电源完整性参数的测量。但是，随着数字信号速率的不断提升，特别是提升到 10Gbps 以上数量级后，电源完整性的测量成为关键测试项目之一，另外芯片和 CPU 的供电电平也越来越小，使得它对电平的变化更加敏感。因而，近来不断地遇到客户咨询电源完整性的测试方案，所以是德科技的技术工程师们把电源完整性测试系统的技术背景和方案配置和关键性能指标整理如下。

电源完整性测量对象和测量内容

PI (Power Integrity)，即电源完整性，以前隶属于信号完整性分析专题，但是因为 PI 足够复杂和关键，现在已经把其单独拿出来作为一个专题去研究。快速而准确的仿真电源完整性至今仍然是一个有待突破的难题 (是德科技的 ADS 高级仿真软件有专门支持电源完整性的方案)。

对于高速数字电路和系统，电源完整性(PI)的研究对象是电源分配网络 PDN（Power Distribution Network）。以笔记本电脑为例，AC 到 DC 电源适配器供给计算机主板的是一个约 16V 的直流电源，主板上的电源分配网络要把这个 16V 直流电源变成各种电压的直流电源（如：±5V, +1.5V, +1.8V, +1.2V 等），给 CPU 供电，给各个芯片供电。CPU 和 IC 用电量很大，而且是动态耗电的，瞬时电流可能很大，大到几十甚至 100 多安培，也可能很小，小到低于 1mA，但无论电流如何变 化，电压必须平稳（即纹波和噪声必须较小），以保持 CPU 和 IC 的正常工作，这都对 PDN 提出了苛刻的要求。我们常见的电脑蓝屏现象，往往和电源完整性密切相关，传统的方案有很多局限性，我们希望随着 Keysight 的优异方案的普及，电脑蓝屏和其它电源完整性现象逐渐减少。

1. 电源完整性测试系统关键性能指标：

• 纹波测试能力：<=3mv(P-P),具体取决于具体的被测对象，也有场合是 20mV 左右。

• 阻抗测试能力：1 毫欧 ~ 50K 欧姆

• 频率范围：5Hz ~ 3GHz

• 基本测试精度：±2%

• SMD 器件测试能力：频率 DC ~ 3GHz

• 引脚器件测试能力：频率 DC ~ 110MHz

• 直流偏置范围：0 ~ ±40V

2. 电源完整性测试系统实现的测试功能：

• 电源纹波/噪声/串扰测量，干扰源定位

• 直流-直流转换器环路增益（幅度和相位）测量

• PDN（电源分配网络）毫欧姆级阻抗测量

• 滤波电容/旁路电容/磁珠等用于电源分配网络的器件的阻抗和参数测量

• 激励响应测试

• 电源完整性仿真

第一章 电源完整性时域分析之示波器

电源纹波和噪声测量

今天的电子电路（比如手机、服务器等领域）的切换速度、信号摆率比以前更高，同时芯片的封装和信号摆幅却越来越小，对噪声更加敏感。因此，今天的电路设计者们比以前会更关心电源噪声的影响。实时示波器是用来进行电源噪声测量的常用工具，但是如果使用方法和工具不对可能会带来完全错误的测量结果。

工程师选择示波器做电源噪声测量的一个原因是电源噪声带宽很宽，但是不能忽略的是，实时宽带数字示波器以及其探头都有其固有的噪声。如果要测量的噪声与“示波器和探头”的噪声在相同数量级，那么要进行精确测量将是非常困难的一件事情。

示波器的主要噪声来源于 2 个方面：示波器本身的噪声和探头的噪声。

所有的实时示波器都使用衰减器和放大器来调整垂直量程,在不同的量程设置下，其对应的放大比或衰减比是不同的，示波器的本底噪声也是不同的。以 Infiniium S 系列示波器的 2.5GHz 型号DSOS254A 为例，在满带宽，2mV/div 设置下，其本底噪声是 120uVrms，在 10mV/div 设置下，其本底噪声就变为 172uVrms，表 1 是 S 系列示波器在不同量程设置下的本底噪声。从该表 1 我们可以得出一个结论，测量噪声时应尽可能使用示波器最灵敏，也就是最小，的量程档。但是示波器在最灵敏档下通常不具有足够的偏置范围可以把被测直流电压拉到示波器屏幕中心范围进行测试，表 2 是常见示波器支持的偏置范围，从表 2 我们可以得出第二个结论，没有一台示波器支持的偏置范围可以覆盖常见的直流电源被测对象，因此通常需要利用 N7020A 这样的电源完整性专用探头将直流偏置范围提升到+/-24V，否则，你要么使用 AC 耦合把直流电平滤掉只测量 AC 成分，要么使用隔直电容来完成测试， 但所有示波器仅在 1M 欧姆输入阻抗情况下支持 AC 耦合，在此条件下，示波器带宽会降到 500MHz，示波器自身的本底噪声会变大；使用隔直电容的缺点是将直流成分去掉的同时，也会把极低频信号滤 除，电源信号本身就是低频的，所以有机会把诸如电压缓慢跌落等现象掩盖了。表 1-1：Infiniium S 系列示波器在不同量程设置下的本底噪声，适用于电源完整性测试的设置最多只有 4 个，在图中以绿色标示。大部分情况下，应该使用每格 1mV~10mV 的设置。

表 1-1：对于电源纹波测试，建议使用最灵敏的垂直刻度，尽可能使用示波器的小量程，否则，示波器自身的本底噪声会带来较大的测量误差，该表给出 Infiniium S 系列示波器在不同量程设置下的本底噪声，因其内部采用真实的硬件 10-bit 40GSa/s ADC，其指标远高于其它示波器。

10 bits 的示波器，Infiniium S 系列示波器，其噪声相对小的多，而且硬件支持 2mV/div 的灵敏度，所以，放弃 8 比特，采用 10 bits 示波器，是最好的选择。

世面上也有一些其它 12 bits 的示波器，或者由于其内部 ADC 是商用产品或者由于其 ADC 本身是 8bit（2G 带宽 6.25GSa/s 时只有 8bit）采用低带宽的 ADC 拼接技术因而本底噪声偏大，在和示波器自身硬件配合之后，其实际有效位比 Infiniium S 系列示波器要低 1 bit 左右，另外也不支持下一章介绍的电源完整性专用高阻探头。