隨著電源軌電壓(rail voltage)和容差越來越小,對電源完整性進行精確量測也變得越來越困難。過去,任何示波器都能夠量測5V電源軌上10%容差的漣波(ripple),因為500mV要求遠高於示波器的雜訊位準(noise level);但現在,無論使用何種示波器都難以量測1V電源軌上2%容差的漣波電壓。本文介紹了五種利用示波器精確量測電源完整性的技巧。

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圖1:電源軌直流電壓及其容差。

技巧1:調整顯示特性

波形強度(waveform intensity)

量測電源軌直流電壓容差需要測出最壞情況下的電壓峰-峰值(Vpp),這可透過自動化量測完美實現;有時目測判定也很有用,所有示波器均有顯示設定,使用者可透過該設定改變波形強度。該強度值通常被設為約50%,將強度設為更高的值可讓使用者更輕鬆地查看出現頻率較低的波形對應的示波器像素。但增加波形強度的不利之處在於,這樣更難以判斷任何特定像素上顯示波形的出現頻率;雖然這對於觀察調變訊號很重要,但這種解析度對於電源完整性量測通常並不重要。

無限持續時間(Infinite persistence)

打開無限持續時間模式可讓連續採集的波形累疊顯示;無限持續時間對於建檔也非常有用,示波器可顯示較長時間內的直流電壓容差範圍。

色彩分級(Color grading)

打開色彩分級模式可生成電源軌波形的3D圖;色彩分級結合無限持續時間顯示有助於更深入地認識電源軌訊號。

技巧2:降低雜訊

選擇低雜訊示波器

如果訊號強度小於示波器和探棒/纜線系統的雜訊,你永遠也量測不出該訊號。訊號在進入示波器後、進入類比數位轉換器(ADC)前,會疊加前端雜訊;然後每個儲存的樣本除了包含原始的訊號值,也會存在一些偏移量(offset),偏移量大小取決於獲取樣本時存在的雜訊大小。使用者將在示波器的顯示幕上看到較粗波形,不要將它與快速更新速率相混淆。大於真實訊號的峰-峰值會顯示並被量測到。

最好的方法是使用雜訊更低的示波器。如何確定示波器的雜訊水準?大多數示波器製造商都會提供產品規格表,列出該特定示波器的典型均方根(RMS)雜訊值;這些雜訊值是根據大量示波器樣本所特徵化。雜訊是一種特徵(characteristic)而非規格,製造商只會提供RMS雜訊的典型值,但雜訊的峰-峰值其實才是影響精確量測漣波的重要因素。

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圖2:雜訊是導致電源軌直流漣波量測不準確的主要原因。

一個簡單的方法是自己量測。快速特徵化僅需幾分鐘,且無需使用外部設備。斷開示波器的所有輸入,打開Vpp量測,設置雜訊量測的垂直刻度和取樣速率,讓示波器運行,直到獲得穩定且一致的Vpp雜訊值。雜訊水準取決於垂直靈敏度設置、頻寬設置和阻抗選擇(50Ω或1MΩ),並且在同一示波器上的不同通道上會存在微小的差別。

不同製造商的示波器的雜訊水準差異可能會高達100%,如果需要精確地量測漣波,請確保選擇雜訊水準更低的示波器。

選擇雜訊最低的訊號路徑阻抗

用於量測電源完整性的示波器通常具有兩種訊號路徑阻抗:50Ω和1MΩ;使用者可以使用支援其中任意一種阻抗的探棒,或者使用纜線來完成電源軌量測。

對於具有上述兩種阻抗的示波器來說,50Ω阻抗通常雜訊更小,且支持示波器全頻寬。1MΩ路徑上的雜訊可能是50Ω路徑上的雜訊的兩到三倍,並且1MΩ路徑上的頻寬通常限制為500MHz,因此50Ω路徑是量測電源完整性的最佳選擇。

電源軌的輸出阻抗通常為mΩ等級。對於沒有任何探棒的纜線量測設備來說,50Ω路徑具有50Ω的直流輸入阻抗,會產生一些負載效應,從而會減小電源軌直流幅度值。使用專用電源完整性探棒,例如具有50kΩ輸入阻抗的R&S RT-ZPR20,可以最大限度地減低該問題的影響。

由於不匹配的1MΩ和50Ω傳輸線之間會發生反射(reflection),因此不建議將50Ω纜線(例如 50Ω尾纖同軸線)直接連接到示波器的1MΩ輸入端。

使用最靈敏的垂直刻度

示波器雜訊位準與示波器全螢幕垂直刻度值有關。因此,使用更靈敏的垂直解析度將會減少量測的總雜訊量。此外,當放大訊號使其覆蓋大部分垂直範圍時,示波器將更充分利用ADC解析度,這時Vpp的量測值將更準確。

限制頻寬

雜訊具有寬頻特性,在示波器未連接輸入的情況下打開FFT功能,便可看到示波器的整個頻寬上存在的雜訊。打開頻寬限制濾波器可以降低寬頻雜訊,有助於更精確地量測電源軌,但缺點在於如果頻寬限制設定值太低,較高頻率的異常就不會顯示。

應該使用多大頻寬?答案是這取決於具體的訊號。雖然切換速度可能在kHz範圍內,但快速邊緣(fast edges)會產生MHz範圍的諧波。對於頻率更高的耦合訊號,包括時脈諧波,則需要更大的頻寬來擷取這些訊號。R&S RTO和R&S RTE數位示波器均配備了頻寬限制濾波器。此外,HD模式可進一步降低寬頻雜訊,並將垂直解析度提高到16位元。

選擇合適的探棒(衰減、頻寬和連結)

使用具有1:1衰減比(attenuation ratio)的探棒可以顯著提高量測電源完整性的精確度;具有較高衰減比的探棒會放大雜訊,較高的衰減比則會限制可以使用的垂直靈敏度。例如在輸入低至1 mV/div的示波器上使用衰減比為1:1的探棒就可以將靈敏度縮小至1mV/div,而使用衰減比為10:1的探棒只能設置至10 mV/div。

如何探測電源軌訊號與其他技巧一樣重要。一些使用者將電源軌連結至訊號品質高、便於連接的SMA連接器;有些使用者是選擇焊接連結,也有使用者選擇在旁路電容使用夾具作為簡易的接點;還有人是使用手持式探棒。每種技巧在易用性、所需的前期規劃和訊號品質方面都各有利弊。

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圖3:對於小訊號,使用衰減比為 1:1 的探棒可以獲得更精確的量測結果。

為了獲得高精度量測結果,Rohde & Schwarz建議使用SMA接頭或焊接式50Ω SMA尾纖同軸電纜(pigtail coax,包括探棒)的R&S RT-ZPR20電源完整性探棒。該探棒可提供2GHz全頻寬,且雜訊極低。雖然該探棒的頻寬規格為2.0GHz,但其頻率響應的滾降(roll-off)較慢,並能擷取電源軌上可能耦合的2.4GHz Wi-Fi訊號。儘管2.4 GHz幅度值將衰減至3dB左右,但擷取這些耦合訊號的能力對於查找耦合源非常重要。

使用R&S RT-ZPR20探棒搭配R&S RT-ZA25探棒頭(browser)時,頻寬將降至350MHz。使用能夠最大限度減小接地迴路面積的接地裝置,例如接地彈簧(ground spring),可有效提升量測精確度。

技巧3:達到足夠的偏移量

交流耦合和阻隔電容

示波器內建的偏移量通常不足以讓使用者將波形放置在顯示器中央並放大顯示,這會導致兩個負面因素:示波器只使用一小部分ADC垂直解析度並使用更大的垂直刻度,從而產生額外的雜訊;這會降低量測品質。

如果在選定的路徑和探棒上使用阻隔電容(blocking caps)或示波器的交流耦合(AC coupling)模式,將去除訊號中的直流分量;這可以解決部分問題,但會無法看到實際的DC值和漂移(drift)。

內建偏移的探棒

一些探棒具有額外的內建偏移,其優勢在於可讓使用者獲得足夠的偏移量,從而能看到真實的DC值和低頻特性,諸如漂移和驟降(sag)。R&S RT-ZPR20電源完整性探棒具有±60V的內建偏移和850mV的動態範圍,這意味著使用者可以在-60V和+60V的範圍內查看直流電源軌上高達850mV的交流特性。

技巧4:評估開關與EMI

頻域圖

特徵化電源軌通常需要確保電源軌上沒有耦合干擾訊號,此外使用者有時需要考量開關諧波(switching harmonics)。查看時域(time domain)波形無法確定這些干擾因素,但透過示波器的FFT功能可以在頻域看到這些干擾。

查看頻域波形需要多大的頻寬?這取決於電源軌上可能耦合的潛在訊號,包括時脈訊號和快速邊緣諧波。

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圖4:查看電源軌在時域中的波形圖可以得到Vpp;但要找出並隔離電源軌上的耦合訊號(例如本例中的2.4 GHz Wi-Fi訊號),則需要使用頻域圖。

技巧5:加快量測速度

更新速率對電源完整性量測速度的影響

電源軌量測需要找出最壞情況下的電壓值,建立高可靠度意味著在更長時間內進行數百或數千次量測;這會耗費很長的時間,而且過程也會很枯燥。電源完整性量測的獨特之處在於它們通常需要很長的時間跨度,為了保持更高的頻寬,示波器需要更高的取樣速率,從而將佔用大量的記憶體。

例如,在取樣速率為10 Gsample/s的情況下,1毫秒(millisecond)擷取的資料需要使用10 Msample的記憶體,10毫秒擷取的資料需要使用100 Msample的記憶體。

波形更新速率用於描述示波器處理記憶體、在顯示器上顯示結果並開始擷取新資料的速度;舉例來說,R&S RTO和R&S RTE數位示波器的更新速率高達100萬個波形/秒。快速的更新速率則意味著可以更快地完成Vpp和FFT等量測。許多示波器的最大更新速率在每秒數十次或數百次採樣的範圍內,這意味著這種示波器要準確獲得最壞情況下的容差測試,所需時間比更新速率高的示波器要高出幾個等級。更新速率高的示波器能讓使用者更快速地完成精確量測。

結語

以下總結使用示波器精確量測電源完整性的五個技巧:

  • 選擇低雜訊示波器對於精確量測電源完整性至關重要;
  • 示波器搭配衰減比 1:1 、內建偏移、高頻寬、高直流阻以及整合電壓計(如R&S ProbeMeter)的探棒使用,可提升量測性能;
  • 瞭解並正確設定一系列示波器屬性,例如垂直刻度和頻寬限制濾波器,可提高量測結果的精確度;
  • 添加頻域圖可讓使用者快速隔離耦合訊號;
  • 快速更新速率能讓使用者更快速地測試電源軌。

本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2019年2月刊