第一章   電源完整性時域分析之示波器
第二章   電源完整性時域分析之測試探頭
第三章   電源完整性頻域分析之網(wǎng)絡(luò)分析儀
第四章   電源完整性仿真域之仿真軟件
第五章   電源完整性激勵域測試之碼型發(fā)生器
第六章   電源完整性測試之直流瞬態(tài)電壓及紋波噪聲模擬

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第三章 電源完整性頻域分析之網(wǎng)絡(luò)分析儀

電源完整性分析對象主要是電源分配網(wǎng)絡(luò) PDN（Power Distribution Network），要測量 PDN 性能，首先需要用示波器測試 GPU 和 IC 管腳的電源紋波和噪聲。但是要進(jìn)一步診斷 PDN 的性能，還需要測試 PDN 的輸出阻抗（隨 頻率變化的阻抗）。由于現(xiàn)在的 PDN 大都是開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，還需要測量 PDN 或關(guān)鍵 DC-DC 轉(zhuǎn)換器件的環(huán)路增益。

開關(guān)式直流－直流 (DC-DC) 轉(zhuǎn)換器/ 電壓調(diào)節(jié)器在保證電路板供電電路 (PDN) 中的電源完整性方面發(fā)揮著重要作用 ( 無論負(fù)載如何變化，都可以提供穩(wěn)定的 Vdd 電壓 )。PDN 通常包括裸露印刷電路 (PC) 板電源布線層、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和無源 PDN 器件 ( 例如在電源布線層上的旁路電容 )。隨著算力大幅增加，PDN 的一個最重要發(fā)展趨勢就是，其負(fù)載器件 ( 例如 GPU、FPGA、ASIC) 的工作速度越來越快，而工作電壓越來越低(0.8 V、0.65 V 等 )，工作電流卻是越來越大 (100A、200A 甚至更大 )。為了適應(yīng)這種趨勢，業(yè)界開始非常普遍地在電子設(shè)備中采用分布式供電的設(shè)計，其中低電壓 DC-DC 變換器總是放置在與負(fù)載器件非常接近的位置 ― 即所謂負(fù)載點(point-of-load) 的附近，以提高高性能計算系統(tǒng)供電的完整性，為使 DC-DC 轉(zhuǎn)換器能對高速大規(guī)模集成電路的負(fù)載變化快速做出響應(yīng)，在對 PDN 進(jìn)行設(shè)計時，充分考慮其性能的優(yōu)化比以往任何時候都顯得很重要，因為在實際應(yīng)用中往往需要在反饋環(huán)路的響應(yīng)速度和工作的穩(wěn)定性之間取得很好的平衡。為了最大程度地降低由于較大的負(fù)載電流變化造成的供電電壓的瞬時波動，確保供電電壓穩(wěn)定在非常小的波動范圍內(nèi)，驗證 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗是否被限制在毫歐量級的極低范圍內(nèi)是非常重要的。另外，PDN 設(shè)計還需要超出 DC-DC 變換器環(huán)路帶寬的頻率范圍 ― 這是無源 PDN 器件抑制電源和接地布線層之間的阻抗的頻率范圍。實際上對無源 PDN 器件，精確地了解每個無源 PDN 器件的特征性能有助于在使用仿真工具設(shè)計 PDN 時提高設(shè)計質(zhì)量。另外，在把無源器件都安裝到 PDN 上之后再測量出 PCB 板的整個 PDN 阻抗，我們就可以驗證產(chǎn)品的最終阻抗是不是理想地達(dá)到了在仿真中所期望的值。通常情況下，需要進(jìn)行測量的頻率可以高達(dá)幾百 MHz 甚至 GHz 的范圍，這是抑制已經(jīng)在電路板上裝有無源器件的 PDN 的阻抗的上限頻率。

能夠?qū)翚W量級的微小阻抗進(jìn)行精確測量的方法是并聯(lián) - 直通法，并聯(lián)－直通法在 50 Ω 以下直到非常小的阻抗范圍的阻抗都具有非常高的靈敏度，是測量 PDN 阻抗的常用方法。下圖是測量方法的簡化示意圖。將被測器件并聯(lián)在激勵信號線和接地線之間，然后測量傳輸系數(shù) S21。然后從 S21 推導(dǎo)出被測器件的阻抗，S21 表示由非常小的并聯(lián)阻抗導(dǎo)致的很大的衰減。被測器件的阻抗 Zdut 和 S21 之間的關(guān)系為 : Zdut = 25 x S21/(1-S21)。

下圖是采用并聯(lián) - 直通方法進(jìn)行測量的配置。E5061B 網(wǎng)絡(luò)分析儀的 TR 端口的輸入阻抗設(shè)置為 50 Ω。用下圖所示的配置方式，不用外接隔直流電容器就可以測量輸出電壓在 5 Vdc 以下的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的參數(shù)。如果施加到該端口上的直流信號的電壓比較高，超過了 5 Vdc，儀表的過載保護(hù)功能會啟動，E5061B 的測量端口的功能將關(guān)閉。通過外接的隔直流電容器，您可以測量輸出電壓高達(dá) 10 Vdc 的轉(zhuǎn)換器。

下圖左邊的軌跡是在轉(zhuǎn)換器和電子負(fù)載關(guān)閉的情況下表示的 | Z | 的測量結(jié)果。如圖所示，轉(zhuǎn)換器在斷電狀態(tài)下的輸出阻抗指示的是轉(zhuǎn)換器的輸出電容器的自諧振阻抗響應(yīng)。右邊的軌跡是在 0.3 A 負(fù)載條件下測量到的 | Z | 的軌跡。如圖所示，通過轉(zhuǎn)換器的反饋回路的作用，在低頻范圍內(nèi)   | Z | 值被限制在 2 mΩ 以下。由于增益相位 TR 測試端口獨特的接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)，E5061B 能夠正確測量毫歐級的小阻抗，甚至在 10 Hz 以下的測量頻率， 測量結(jié)果也不會受到激勵源和接收機(jī)之間測試電纜接地環(huán)路的影響。

總結(jié)一下，Keysight 是德科技的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 E5061B 是專門針對測試 PDN 而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)分析儀，滿足測量PDN 輸出阻抗測量要求。同時還具有下面更多能力

1.  功能全面的低頻到中頻網(wǎng)絡(luò)阻抗分析儀

E5061B 低頻 - 射頻網(wǎng)絡(luò)阻抗分析儀的選件 3L5 可以在從 5 Hz 至 3 GHz 的率范圍內(nèi)提供常用的網(wǎng)絡(luò)測量和阻抗分析功能。功能全面的低頻網(wǎng)絡(luò)測量能力 ( 包括內(nèi)置的 1 MΩ 輸入 ) 都被完美地集成到這個高性能的射頻網(wǎng)絡(luò)阻抗分析儀之中。E5061B-3L5 是研發(fā)環(huán)境中進(jìn)行器件和電路測量的理想儀表和工具，選件 005 提供阻抗參數(shù)和等效電路分析。

圖 3-3 ：E5061B-3L5 網(wǎng)絡(luò)分析儀

2.S 參數(shù)測試端口

E5061B-3L5 在其完全能夠測量的從 5 Hz 到 3 GHz 的頻率范圍都有非常高的動態(tài)范圍，這可以使您對各種幾乎從直流到射頻的器件進(jìn)行測試。

3-4 ：直流到直流傳輸阻抗測量和環(huán)路增益測量

3.  增益相位測試端口

增益相位測試端口可以在從 5 Hz 到 30 MHz 的低頻測量范圍內(nèi)直接把測試信號接入測量接收機(jī)。內(nèi)置的 1 MΩ 輸入使您能夠使用測量探頭輕松地對所測電路內(nèi)的放大器和直流 - 直流轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路的參數(shù)進(jìn)行測量。接收機(jī)端口可以精確地測量放大器的 CMRR/PSRR 和 PDN 毫歐量級的輸出阻抗，并且消除了測量中接地環(huán)路引入的測量誤差。

4.  直流偏置源

E5061B-3L5 內(nèi)置的直流偏置源可以從儀表內(nèi)部把最高可達(dá) ±40 Vdc 的直流偏置電壓疊加到從端口 1 或 LF OUT 端口上輸出的交流信號上。此外，如果在儀表的 S 參數(shù)測試端口上對被測器件進(jìn)行測量時，它還可以從 LF OUT 端口輸出直流電壓。

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第一章   電源完整性時域分析之示波器

第二章   電源完整性時域分析之測試探頭

第三章分享結(jié)束，下期我們將分享第四章 電源完整性仿真域之仿真軟件

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