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分析配电网 (PDN) 上的电源完整性
分析配电网 (PDN) 上的电源完整性
配电网 (PDN) 必须为微处理器、DSP、FPGA 和 ASIC 等灵敏负载提供多条低噪声直流电源轨。追求更高速度和更高密度意味着更快的边沿速率、更高的频率和更多的电源轨，以及更低的电压电平和更高的电流。这给信号完整性和电源完整性的设计带来了压力。
电源完整性测量旨在验证达到负载点 (POL) 的电压和电流在所有预期工作条件下是否满足负载的电源轨规格。需要特别注意的是，在 GHz 频率下准确测量电源轨噪声（毫伏）。
在不阻断直流电或加载电源轨的情况下测量高频纹波
电源轨上的噪声规格可上升到 MHz 或 GHz 频率范围，幅度单位为 毫伏。
具有低噪声成分和高带宽特性的示波器可以进行这些测量，但将 信号输入到仪器中并非易事。
示波器随附的高阻抗 10X 无源探头可能具有足够的带宽，但它们会衰减 您试图测量的噪声信号。然后，示波器会同时放大信号和 测量系统噪声，使其无法区分。
1X 探头可以无衰减地传递噪声信号，但其带宽范围仅限于几 MHz。
使用 50 Ω 示波器输入的传输线探头或电缆可实现出色的高频性能，但会在直流条件下带来 显著负载。
用于进行电源轨测量的理想探头可在直流条件下实现高阻抗，并充当高频交流电的 50 Ω 传输线。TPR1000 和 TPR4000 等电源轨探头设计为具有 高带宽、无衰减和最小负载特性，从而可应对这些挑战。
处理 1 V 至 48 V 及以上的电源
尽管许多 FPGA 和 SoC 的主电源电压已经大幅下降，但这些不是要考虑的 电源。片上 I/O 电源的覆盖范围比主逻辑电源的覆盖范围大得多。为 POL 稳压器或电压调节器模块 (VRM) 供电的整体 电源的电压通常要高得多。
尽管许多示波器和探头可以提供一定的 DC 偏移，但可能不足以处理系统中的所有电源 轨。在较低的伏特/格（较高灵敏度）设置下，仪器系统往往能 减少偏移。虽然可选择阻断直流电，但这通常是不可取的（请参见上文）。
除了满足上面概述的高频需求外，TPR1000 和 TPR4000 等电源轨探头还可提供高偏移范围以应对各种电压电平。
最小化测量系统噪声成分
测量 10 mV 量级的噪声需要特别注意测量系统噪声。如上所述， 使用非衰减探头或 1X 探头可以减轻示波器放大器的负担。示波器的 内部噪声和测量分辨率也起着至关重要的作用。
6 系列 MSO 包括具有行业领先噪声性能的新前端。示波器的开放 信道噪声低至 50μVRMS和 466μV 峰值。当与 TPR1000/4000 电源 轨探头配对时，系统噪声可低至 70μVRMS。
6 系列以 12.5 GS/s 的速度提供 12 位分辨率。高分辨率功能可在 625 MS/s 及以下速度将分辨率提高到 16 位。4 和 5 系列 MSO 还提供 12 位分辨率，在使用高分辨率模式的条件下最高可达 16 位。
测量配电网络阻抗
对于为 FPGA、处理器和其他复杂 IC 供电的 PDN，电源轨阻抗必须较低，以便提供高电流，从而响应 快速变化的需求。但是，网络由许多阻抗 （包括稳压器、去耦电容器和 PCB 走线）组成。高速开关涉及宽带 频率，并且阻抗的意外变化会导致过多的瞬变或噪声。在较宽的 频率范围内测量网络设计的阻抗可确保网络不会 发生不必要的意外情况。
传统上，网络阻抗测量使用双端口 TTR500 等 VNA 进行， 测量范围从 100 kHz 到 6 GHz。
5 和 6 系列 MSO 示波器可以使用分析软件、 信号发生器（内置或 AFG31000 系列）和隔离变压器来测量低至 10 Hz 的电源轨阻抗。
使用同步频谱和波形分析来表征噪声
假设您已经测量了电源轨噪声，并且测量值超出了规格。那么，这是由什么引起的呢？ DC-DC 转换器？整体供电？PLL？时钟？还是串扰？频谱分析可以提供噪声 源的线索 – 有助于将噪声频率与开关频率和谐波相关联。
频谱分析仪（例如 RSA306）通过直流模块连接到电源轨，可帮助您深入了解
噪声。
示波器上的 FFT 功能也很有用，但这些功能使用示波器上的采样时钟，致使
难以或无法同时查看频谱和电压波形。4、5 和 6 系列 MSO 上的
独特频谱视图提供了独立的频谱分析仪控件，因此您可以同时查看同步的时域
频谱和频域波形。
Power rail noise impacts clock and data signal jitter
Noise on power rails often translates into jitter on high-speed data lines. Jitter and power integrity should be analyzed in both the time and frequency domains. Comparing periodic jitter (PJ) frequencies in the TIE spectrum to spurs in the power ripple spectrum is a fast and accurate way to identify signal integrity problems caused by a power distribution network (PDN). This type of analysis requires an oscilloscope with good spectrum analysis capability as well as good jitter analysis.
Learn about using mixed signal oscilloscopes to diagnose jitter caused by power integrity problems
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借助自动化分析软件更快地进行电源轨测量
在几十条电源轨上，即使是进行简单的测量（例如，纹波、过冲和下冲）也需要 大量时间和注重细节。
5 和 6 系列 MSO 随数字电源管理软件一起提供，可自动执行这些重复的 测量并生成深度报告。该软件还包括抖动分析（TIE、RJ、DJ 和 Eye 测量），以便检查由 PDN 供电的时钟和通信信号是否存在过多抖动。
Power Integrity Analysis
Reference System
6 Series B MSO
Recommended for exceptionally low noise, 12-bit resolution, and up to 8 channels. From 1 to 10 GHz. Built-in arbitrary/function generator (AFG) recommended for impedance measurements
Noise Analysis
-
DPM software
Optional analysis software automates ripple, overshoot, under-shoot, turn-on, turn-off, time-trend, settling time, and jitter measurements -
TPR Power Rail Probes
Low noise and high offset range at up to 4 GHz with DC offset ranging from -60 to +60 Vdc
Impedance Analysis
-
PWR software
Optional analysis software automates power quality, harmonics, amplitude, timing, switching loss, magnetic analysis, and frequency response analysis (control loop analysis, PSRR and impedance) measurements -
Active Splitter (e.g Picotest J2161A, not shown)
Splits signal from oscilloscope’s AFG into an oscilloscope input channels and into the power rail under test. -
Common Mode Transformer (e.g. Picotest J2102B-BNC, not shown)
Eliminates ground loop error in 2-port shunt-through impedance measurements.
