动力轨测量很重要，因为它们可以在潜在的噪声源成为问题之前识别出来。然而，只测量板级的动力轨道噪声可能会误导模具实际看到的噪声。
电源完整性测量的最佳实践
测量板上的电源导轨似乎是一项简单的任务。像所有的测量一样，在示波器的屏幕上很容易得到波形，但是很难相信你已经消除了测量伪影，并对当前的实际信号有一个真实的测量。
例如，用于连接被测板/设备(DUT)和示波器之间的探头的类型起着重要的作用。如果你使用一个10倍的探头，尖端环电感可以像天线一样，从外部环境或从电源轨道本身的近场环境中拾取射频噪声。图1显示了3.3 V开关模式电源(SMPS)上的电压，用10x探头测量，相邻10x探头的拾取噪声缩短到自身，就像射频天线一样。
在本例中，在与10x探头相同的位置，使用同轴连接板上的同轴电缆直接连接到示波器，对功率轨电压进行独立测量。这种连接没有接收到任何外部或近场辐射发射，也没有像10x探测器那样将信号衰减10倍。这是不同探测方法可能产生的影响的一个例子。
PDN的一个简单模型
即使有很好的探测方法，你测量的动力轨道也会影响你测量的噪声。重要的是要始终记住，一旦互连提供了正确的连接，它们所能做的就是增加噪音。我们设计互连的工作是将互连产生的噪声降低到可接受的水平。
在功率分配路径中，由于功率和回路导体的环路电感，互连线引入的主要寄生是电感。互连的环路电感和添加到配电网络的离散电容的组合创建嵌入式低通LC滤波器。
即使每个连接到动力轨道的导体名义上是相同的网，但在板上动力轨道的不同节点上测量的噪声将是不相同的。测量什么取决于测量噪声的位置。这取决于受害者;在噪音产生的地方，侵略者;噪声的频率分量;以及攻击者和受害者节点之间的低通过滤器。
图2是PDN的简化视图，显示了一些低通过滤器。
根据互连和离散去耦电容器的性质，LC滤波器的极频范围可能从10khz的低到10mhz的高。例如，如果噪声的来源是来自VRM开关噪声的50 kHz频率组件，那么在模具上可能看不到更高的频率组件，但一些50 kHz组件可能通过。
如果侵略者是来自模具的瞬态电流，当消耗模具上的电容时，模具上的电压噪声将驱动dI/dt电流通过封装引线电感。虽然该噪声将在模具上测量，因为它通常有高频成分，它将在通过封装引线电感和板级去耦电容器的低通滤波器时被滤波。它可能不会出现在板级电源轨上的节点上。
为了演示这一原理，我设计了一个简单的板，通过开关电流产生模上功率轨噪声，同时允许直接测量模上功率轨电压和板级功率轨电压。该电路只是一个简单的时钟，驱动四个输入到一个十六进制逆变芯片。六角逆变器的另外两个引脚用于测量模上电压。
测量钢轨在模具上的压缩
在大多数应用中，当芯片在电路板上组装时，我们无法访问裸模。如果IC封装没有特殊的直通功能，将模具上的轨道连接到板引脚，我们就必须依靠一种特殊的技巧。
当一个芯片的I/ o都共享相同的电源和接地轨时，这通常是小型微控制器设备的情况，指定的I/ o可以用作传感器线，从外部测量模具上的电源轨。
在数字CMOS输出中，当其输出分别设置为HIGH或LOW时，驱动程序将其输出连接到Vdd或Vss轨道。这意味着一个设置为HIGH或LOW的I/O提供了一个直接连接到板上其他可以测量Vdd或Vss轨道的地方，相对于板上的本地地面。
我们称这些特殊的I/ o为安静的高线和安静的低线。当它们被设置为一个固定值时，它们的输出电压不应该改变。这些线路上的任何电压变化都只是由于它们所连接的轨道上的噪声或信号返回路径上某处的噪声造成的。如果这些连接被设计成具有稳定返回平面的均匀传输线，而其他信号远离，那么在这些测试点上测量的电压将由模上轨相对于测试点的本地板地的电压所控制。
典型CMOS I/O的等效电路显示了从模上导轨到板级测试点的连接，如图3所示。
板上所有测试点的测量都是单端完成的。这意味着被测电压是测试点相对于示波器探头接地与板接平面接触的局部接地位置的电压。
在Vdd测试点测量的电压实际上不是模具上的Vdd。它是模具上相对于板接地的Vdd。如果Vss导轨上有接地反弹噪声，则其电压以及整个芯片的Vss导轨都可能相对于本地单板接地发生反弹。相对于板的地面，Vdd轨道的反弹量是相同的。
我们真正关心的是模具上Vdd和Vss导轨之间的电压轨。这是Vdd - Vss，每一个测量相对于同一板接地参考点。我们有时把这个值称为钢轨压缩。这是如何压轨上的模具压缩由于电流切换。
我们实际测量的是测试点上相对于本地板接面的电压。只要从离开包装到到达测试点的测试线上没有额外的噪声，Vss和Vdd测试点之间的测量电压差将等于钢轨对模具的压缩。
然后该过程是在其他I/ o切换时测量安静的HIGH和安静的LOW测试点。当其中一个I/ o切换触发示波器时，可以从Vdd和Vss静线测量轨道压缩。为此的设置以及测量的安静的HIGH和安静的LOW测试点如图4所示。轨道压缩可以显示在屏幕上使用示波器数学函数计算Vdd - Vss。
本例中，Vdd电源轨为3.3 V。在I/ o切换期间，测量到的轨压高达1.2 V。这是巨大的。它是如此之大，它影响输出信号上升时间，并会造成其他I/O线的错误触发。如果这个轨道也被核心逻辑使用，那么肯定会产生误码。
模上轨噪声和板级轨噪声
使用安静的LOW和安静的HIGH感觉线，可以直接测量导轨对模具本身的压缩噪声。这是很重要的，因为正是这种噪声会影响模具的正确功能，以及噪声对错误触发的影响。
但是，假设你没有安装芯片，也不知道模具本身的电压噪声。假设你只测量了板上电源轨道上相对于本地板接地的电压噪声。你会看到什么?
在这个测试板上还有一个连接到LDO 3.3 V输出的测试点。在这一点上，我们测量板上的电压噪声。它与模具上的Vdd导轨完全相同，但它位于距离模具上的测试点有一段距离的地方，并且位于低通滤波器的另一边，远离噪声源。
图5显示了板的设置和测量的模上轨压缩和板上电压噪声与I/ o切换同步。
在这张图的示波器轨迹上，测量到的板上3.3 V轨约为0.025 V，当I/ o开关时噪声非常小，而模具上有1.2 V的压缩。这是因为模具上的噪声，即攻击者信号，必须通过由封装引线电感和局部去耦电容组成的低通滤波器，才能到达LDO，即受害者位置。该板低通滤波器的极频约为1mhz。由于该噪声的上升时间约为1 ns，其带宽约为350 MHz。这些噪声中很少有通过1兆赫低通滤波器的。
如果我们测量了板上的电压噪声，只看到0.025 V的振幅噪声，我们就会得出结论，功率轨噪声非常低和微不足道，不用担心。事实上，实际的模上压缩超过整个动力导轨的三分之一，大到足以影响芯片的健壮功能。
没有这种模具上的测量，你不会知道你的产品是如此接近故障，直到一些客户运行了一些操作，对这么大的模具上的噪声水平是敏感的。如果不知道模具上的动力导轨噪音有多大，找到问题的根本原因就像猎取一只鹬一样困难。
总结
如果你使用测量板上的噪声作为各种设计决策的优劣的指标，请注意不要得出错误的结论。
实现使用一个安静的高和安静的低I/O引脚的技术是一个简单的方法，打开一个小窗口上发生了什么与你的模具的动力轨道。
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