【導(dǎo)讀】航天工業(yè)正越來(lái)越多地使用速度更快、密度更高的FPGA和寬帶ADC/DAC器件，這些器件通常都是由開(kāi)關(guān)型直流-直流和負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的越來(lái)越低的電壓供電。糟糕的PCB版圖、不恰當(dāng)?shù)牟紙D規(guī)劃、無(wú)效的去耦和微弱的濾波都會(huì)在給這些敏感元件供電的電壓軌上產(chǎn)生交流噪聲、干擾和瞬變信號(hào)。本文提供了實(shí)現(xiàn)有效電源完整性探測(cè)的八個(gè)技巧。
想像以下場(chǎng)景：最新的硬件將要試運(yùn)行，你已經(jīng)成功地給亮閃閃的新板子加電，即將開(kāi)始功能測(cè)試，卻發(fā)現(xiàn)電源軌壓降(rail droop)、接地反彈、電源引起的時(shí)鐘與數(shù)據(jù)抖動(dòng)以及在ADC/DAC輸出頻譜中存在帶內(nèi)雜散。這些現(xiàn)象為什么會(huì)發(fā)生？如何確定其根源及情況有多糟？負(fù)載對(duì)交流噪聲以及電壓軌上的紋波有多敏感？它們的PSRR是多少？電源電壓要多安靜才能達(dá)到所要求的性能？
使用示波器測(cè)量直流電源軌上的微弱交流噪聲是很成問(wèn)題的：首先，儀器和探針會(huì)增加額外的噪聲，人們弄不清噪聲是測(cè)量引起的還是電源引起的。偏移量也可能受限制，使你無(wú)法放大查看并分析直流電源上的交流干擾。另外，示波器的輸入阻抗可能會(huì)成為電源軌的負(fù)載，其帶寬可能受限，因此會(huì)掩蓋高頻開(kāi)關(guān)瞬時(shí)噪聲。
由于人們?cè)絹?lái)越多地使用速度更快、密度更高的FPGA和寬帶ADC/DAC (由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的低電壓供電)，加上不良的設(shè)計(jì)方法，工程師在生產(chǎn)和調(diào)試他們的航空電子硬件時(shí)需要能夠放大直流電源軌以查看交流瞬變、噪聲和紋波。示波器通常沒(méi)有足夠的偏移量將直流電源軌定位在屏幕中心來(lái)獲得所需的測(cè)量結(jié)果。在信號(hào)路徑中放置一個(gè)隔直電容可以解決偏移量問(wèn)題，但也會(huì)掩蓋一些重要信息，如壓縮或低頻漂移。
最新的低噪聲探針具有良好的噪聲指數(shù)，因此不會(huì)影響直流電源上的交流干擾與紋波測(cè)量結(jié)果。第一步測(cè)試是將輸入端短路，驗(yàn)證探針和示波器是否適合所要求的測(cè)量任務(wù)。圖1總結(jié)了直流電源軌上的低水平交流噪聲的測(cè)量過(guò)程，可以看出，使用電源完整性探針代替標(biāo)準(zhǔn)探針可以減少基線噪聲。
圖1：用于表征基線噪聲的零測(cè)量。
使用衰減比超過(guò)1:1的有源或無(wú)源探針有助于解決偏移量難題，但也會(huì)降低信噪比，并影響精度。使用示波器的50 Ω輸入同樣會(huì)成為待測(cè)量的直流電源的負(fù)載，如圖2所示：
圖2：衰減比和端接會(huì)影響噪聲的測(cè)量結(jié)果。
FPGA或ADC/DAC動(dòng)態(tài)加載直流電源發(fā)生在時(shí)鐘頻率點(diǎn)，這會(huì)在電源軌上產(chǎn)生高速瞬變信號(hào)和噪聲。設(shè)計(jì)師需要高帶寬工具評(píng)估和理解電源電壓上的寬帶干擾。開(kāi)關(guān)噪聲產(chǎn)生的瞬變頻率很容易超過(guò)1GHz。
探針的地線連接長(zhǎng)度也會(huì)影響噪聲的測(cè)量，如圖3所示。探針的內(nèi)部電容和地線形成了一個(gè)LC電路，回路越短電感越小。地線還能成為輻射噪聲的天線！
圖3：地線環(huán)路面積對(duì)測(cè)量的影響。
為了成功地調(diào)試最新的航空電子硬件，可以使用Keysight公司N7020A這樣的電源軌探針。該探針提供1:1的衰減比，基線示波器噪聲只增加10%，偏移量為±24V，因此你可以將信號(hào)置于屏幕中央以放大分析交流噪聲。另外50kΩ的直流負(fù)載和2GHz的帶寬可以讓你捕獲快速的瞬變信號(hào)。
圖4：Keysight公司的N7020A電源完整性測(cè)量探針。
高效的電源完整性示波器測(cè)量技巧總結(jié)如下：
- 先從零測(cè)量開(kāi)始，以理解示波器的基線本底；
- 選擇噪聲最小的50 Ω路徑并減小衰減比；
- 選擇具有足夠帶寬的探針；開(kāi)關(guān)電流可能造成頻率超過(guò)1GHz的瞬變信號(hào)；
- 盡量減小地線環(huán)路面積；
- 使用探針偏移消除直流偏移，便于分析交流噪聲和紋波；
- 盡量減小直流負(fù)載；
- 使用頻域確定可能的噪聲源；
- 使用觸發(fā)和平均方法將電源軌上的干擾與噪聲源關(guān)聯(lián)起來(lái)。
- 我的FPGA、混合信號(hào)和電源課程討論了如何一次性成功地設(shè)計(jì)空間電子硬件。記住，千萬(wàn)不要讓示波器的1MΩ高阻抗輸入成為有害的天線。
本文來(lái)源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
推薦閱讀：
