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實(shí)現(xiàn)有效電源完整性探測(cè)的八個(gè)技巧

發(fā)布時(shí)間:2017-01-25 來(lái)源:Rajan Bedi 責(zé)任編輯:wenwei

【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(xiàn)噪聲。
 
實(shí)現(xiàn)有效電源完整性探測(cè)的八個(gè)技巧
圖1:用于表征基線(xiàn)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:
 
實(shí)現(xiàn)有效電源完整性探測(cè)的八個(gè)技巧
 
實(shí)現(xiàn)有效電源完整性探測(cè)的八個(gè)技巧
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(xiàn)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(xiàn)形成了一個(gè)LC電路,回路越短電感越小。地線(xiàn)還能成為輻射噪聲的天線(xiàn)!
 
實(shí)現(xiàn)有效電源完整性探測(cè)的八個(gè)技巧
 
實(shí)現(xiàn)有效電源完整性探測(cè)的八個(gè)技巧
圖3:地線(xiàn)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(xiàn)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)。
 
實(shí)現(xiàn)有效電源完整性探測(cè)的八個(gè)技巧
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:
 
  1. 先從零測(cè)量開(kāi)始,以理解示波器的基線(xiàn)本底; 
  2. 選擇噪聲最小的50 Ω路徑并減小衰減比; 
  3. 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); 
  4. 盡量減小地線(xiàn)環(huán)路面積; 
  5. 使用探針偏移消除直流偏移,便于分析交流噪聲和紋波; 
  6. 盡量減小直流負(fù)載; 
  7. 使用頻域確定可能的噪聲源; 
  8. 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)。 
  9. 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(xiàn)。
  10.  
本文來(lái)源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
 
 
 
 
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