航天工业正越来越多地使用速度更快、密度更高的FPGA和宽带ADC/DAC器件,这些器件通常都是由开关型直流-直流和负载点稳压器产生的越来越低的电压供电。糟糕的PCB版图、不恰当的布图规划、无效的去耦和微弱的滤波都会在给这些敏感元件供电的电压轨上产生交流噪声、干扰和瞬变信号。

想像以下场景:最新的硬件将要试运行,你已经成功地给亮闪闪的新板子加电,即将开始功能测试,却发现电源轨压降(rail droop)、接地反弹、电源引起的时钟与数据抖动以及在ADC/DAC输出频谱中存在带内杂散。这些现象为什么会发生?如何确定其根源及情况有多糟?负载对交流噪声以及电压轨上的纹波有多敏感?它们的PSRR是多少?电源电压要多安静才能达到所要求的性能?

使用示波器测量直流电源轨上的微弱交流噪声是很成问题的:首先,仪器和探针会增加额外的噪声,人们弄不清噪声是测量引起的还是电源引起的。偏移量也可能受限制,使你无法放大查看并分析直流电源上的交流干扰。另外,示波器的输入阻抗可能会成为电源轨的负载,其带宽可能受限,因此会掩盖高频开关瞬时噪声。

由于人们越来越多地使用速度更快、密度更高的FPGA和宽带ADC/DAC (由开关稳压器产生的低电压供电),加上不良的设计方法,工程师在生产和调试他们的航空电子硬件时需要能够放大直流电源轨以查看交流瞬变、噪声和纹波。示波器通常没有足够的偏移量将直流电源轨定位在屏幕中心来获得所需的测量结果。在信号路径中放置一个隔直电容可以解决偏移量问题,但也会掩盖一些重要信息,如压缩或低频漂移。

最新的低噪声探针具有良好的噪声指数,因此不会影响直流电源上的交流干扰与纹波测量结果。第一步测试是将输入端短路,验证探针和示波器是否适合所要求的测量任务。图1总结了直流电源轨上的低水平交流噪声的测量过程,可以看出,使用电源完整性探针代替标准探针可以减少基线噪声。

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图1:用于表征基线噪声的零测量。

使用衰减比超过1:1的有源或无源探针有助于解决偏移量难题,但也会降低信噪比,并影响精度。使用示波器的50 Ω输入同样会成为待测量的直流电源的负载,如图2所示:

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图2:衰减比和端接会影响噪声的测量结果。

FPGA或ADC/DAC动态加载直流电源发生在时钟频率点,这会在电源轨上产生高速瞬变信号和噪声。设计师需要高带宽工具评估和理解电源电压上的宽带干扰。开关噪声产生的瞬变频率很容易超过1GHz。

探针的地线连接长度也会影响噪声的测量,如图3所示。探针的内部电容和地线形成了一个LC电路,回路越短电感越小。地线还能成为辐射噪声的天线!

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图3:地线环路面积对测量的影响。

为了成功地调试最新的航空电子硬件,可以使用Keysight公司N7020A这样的电源轨探针。该探针提供1:1的衰减比,基线示波器噪声只增加10%,偏移量为±24V,因此你可以将信号置于屏幕中央以放大分析交流噪声。另外50kΩ的直流负载和2GHz的带宽可以让你捕获快速的瞬变信号。

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图4:Keysight公司的N7020A电源完整性测量探针。

高效的电源完整性示波器测量技巧总结如下:

  1. 先从零测量开始,以理解示波器的基线本底;
  2. 选择噪声最小的50 Ω路径并减小衰减比;
  3. 选择具有足够带宽的探针;开关电流可能造成频率超过1GHz的瞬变信号;
  4. 尽量减小地线环路面积;
  5. 使用探针偏移消除直流偏移,便于分析交流噪声和纹波;
  6. 尽量减小直流负载;
  7. 使用频域确定可能的噪声源;
  8. 使用触发和平均方法将电源轨上的干扰与噪声源关联起来。

我的FPGA、混合信号和电源课程讨论了如何一次性成功地设计空间电子硬件。记住,千万不要让示波器的1MΩ高阻抗输入成为有害的天线。

《电子技术设计》2017年2月刊版权所有,谢绝转载。

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