高速和便携式电子产品仍在萎缩，而电源完整性要求继续要求更低的配电网络(PDN)阻抗。测量亚毫欧姆是困难的。在非常小的电路中获得低噪声、亚毫欧姆的测量有点困难。我们最近有机会支持研发Altanova[1]执行这一困难的测量。我们很感激他们允许我们使用他们的衡量方法来帮助其他人面对这一挑战。最终结果如图1所示，显示低噪声甚至低至150 uΩ。
图1大容量上限和解耦的关闭状态测量显示了良好的保真度，甚至低至150uΩ。这是最后的结果。
本文的目的是与您分享一些技巧，以便您也能成功地执行这些测量。
模拟通常先来
研发Altanova是这类项目的专家，在制造昂贵的多层PCB之前，使用仿真工具优化PCB和解耦。仿真是一种更快，更便宜的方法来优化PCB解耦比多个电路板修订。仿真结果还可以为测量设置提供见解。
仿真的VDDO PDN体电容和解耦阻抗如图2所示。
图2未安装VRM的VDDO电源轨阻抗在150 kHz至40 MHz范围内低于1 mΩ，在多个频率下小于或等于200 uΩ。
PDN测量设置
仿真结果表明，阻抗测量范围为150 uΩ ~ 20 mΩ。表1[2]总结了三种基于s参数的阻抗测量的典型阻抗范围。大部分阻抗范围低于推荐的最小值，这表明测量困难，尽管最好的选择是2端口并联测量。
表1基于VNA阻抗测量的高保真测量范围。
测量 |
最小值 |
马克斯 |
动态范围 |
1端口 |
1Ω |
2 kΩ |
66分贝 |
2个系列 |
10Ω |
2.5Ω |
108分贝 |
2个并联 |
1米Ω |
225Ω |
108分贝 |
2端口分流通测量的测量设置如图3所示。
图3典型的2端口并联传输阻抗测量设置显示DUT, VNA端口和所需的同轴变压器(见正文)
通过测量的2端口分流包括一个不需要的直流接地回路，这是由于仪表板上两个端口接地的射频连接和位于DUT的远程DUT接地连接。该直流接地回路是有据可依的[3]，并通过引入同轴共模变换器来解决，如图3所示。(Picotest提供无源和有源现成50Ω匹配的同轴变压器。)固态设备产生最佳性能，允许测量到直流，而无源解决方案通常限制在几kHz。有源溶液也比无源溶液适用于更高的频率。
物理接入也是一个常见的限制，随着电路不断缩小和电路板密度的增加。处理物理方面的一个好方法是使用UFL型微同轴连接器，而不是更常见的SMA连接器。UFL连接器需要更少的物理电路板空间，如图4所示。
图4 UFL micro-cox连接器和引线比更常见的SMA连接器需要更少的电路板空间。微同轴电缆是紧凑空间的一个很好的解决方案。
测量设置，包括VNA、同轴变压器(无源J2102A)、连接器引线和DUT，如图5所示。
图5 2端口并联直通测量设置，包括VNA、无源同轴变压器(J2102A)、连接器引线和DUT。这个特殊的电路板是一个20层，Nelco N4800-20 PCB, 0.127英寸厚。
对装置进行校准后，进行初始测量，测量结果如图6所示。测量具有正确的总体形状，但对于大部分频率跨度，测量被噪声显著降低。
图6第一次测量尝试显示了正确的总体形状，但测量结果因噪声而显著降低。
提高信噪比
公平地说，这个阻抗大小低于一般推荐的1毫洛姆的极限。S21测量在150 uΩ是
假设最大+13dBm (1Vrms)源信号，则接收机信号为6uVrms。Bode 100和大多数其他质量VNA可以测量104 dB的动态范围，接收灵敏度小于3 uV，因此可以进行这种测量。包括Bode 100在内的大多数vna都提供了几种噪声管理方法。五种常用的方法是源振幅、衰减器、接收机带宽、点数和迹平均。
源振幅
为了使信噪比最大化，最好将源幅值设置为最大电平。这导致接收器接收到最大的信号。
衰减器
衰减器降低了信号，也增加了有限量的噪声，由于衰减器电阻。如果测量的直流电压为零，则CH2端口可能不需要任何衰减。CH1可能需要衰减器，如果是这种情况，仪器将警告信号过载。
接收机带宽
接收机噪声一般为白噪声，噪声密度有限。接收机噪声是噪声密度和接收机带宽平方根的函数。最窄的接收机带宽会产生最低的噪声，但这也对应于较长的扫描时间，因此要考虑噪声和扫描时间之间的权衡，特别是如果您将执行许多测量。
点数
VNA和其他仪器一样需要不同的数据点。跟踪通过在数据点之间进行插值来完成。虽然自然的趋势是增加数据点的数量以减少噪声，但这通常会适得其反。更少的数据点导致更多的插值，从而导致更多的数据“平滑”。
跟踪平均
大多数vna，包括Bode 100，也可以包括跟踪平均。对所选的迹线数进行平均，将高斯噪声降低为平均深度的平方根。就像接收器带宽一样，这是以牺牲扫描时间为代价的。例如，平均深度为10，则需要10次扫描才能使平均值最大化。我很少使用这个功能，主要是因为这个原因。
外部选择
还有一些外部选项可以提高信噪比，包括源端和接收端端口的外部信号放大器和电缆本身。
源放大器
Bode 100已经提供了比许多vna更大的信号，但可以通过使用外部功率放大器来提高。在许多情况下，VNA制造商提供信号源功率放大器。
接收器放大器
接收机信号电平可以使用低噪声前置放大器(LNA)来提高。许多公司提供lna，包括Picotest的J2180A，其输入侧噪声密度为2nV/rt-Hz，信号增益为20dB。
电缆
无论您使用的是SMA连接器还是微同轴电缆连接器，请谨慎选择电缆。选择屏蔽效率好的电缆，这往往意味着有多个屏蔽层。这些可在SMA和微同轴电缆形式。此外，从高质量的制造商那里购买这些电缆。即使是良好的屏蔽电缆也可能被一个糟糕的连接器附件所损害。这些电缆往往很贵，但如果精心保养，它们可以使用很长时间。另外，要注意如何包扎这些电缆。尽量让它们远离电路板的嘈杂区域。
改进后的测量
仅仅应用一些噪音管理技术就可以得到更好的保真度。接收带宽为30 Hz, CH2无衰减，CH1衰减为20 dB时的阻抗测量结果如图7所示。改进后的测量即使在150uΩ级也具有低噪声。通过应用更多的内部和/或外部改进选项，可以进一步降低噪声。
降低接收机带宽、增加信号源幅度和优化衰减器可以大大降低噪声测量。
确保数据有效
关于我们如何能够确信测量是准确的，总是有一个遗留的问题。对此有两个建议。首先，我们可以将测量结果与模拟结果进行比较。测量和模拟之间的一致性增加了测量的可信度，但这并不能保证测量是精确的。
另一种确保测量精度的方法是总是测量一个已知的量，并且最好是在您正在进行的测量的相同量级。例如，一个安装的250 uΩ电流感应电阻可以提供一个很好的精度指示。综合起来，这两种方法对测量的准确性提供了非常高的置信度。
图7的实测结果与仿真结果对比如图8所示。
图8 VDDO测量结果与仿真结果吻合较好，对测量结果的准确性有较高的置信度。
结论
即使低于1毫欧姆，也可以进行精确、低噪声的阻抗测量。提出了许多噪声管理技术，包括VNA的内部和外部，其中只有几个技术是必要的，以实现在150 uΩ的合理保真度测量。
特别感谢研发Altanova为您的利益与我们分享他们的测量和良好的相关性。
[1] R&D Altanova是全交钥匙测试接口解决方案的领先提供商，专注于先进技术印刷电路板工程，设计，制造，组装和制造服务。ATE行业的技术解决方案包括;细间距接口板制造，老化板，接口板和卡的嵌入式组件解决方案，导电桥™和同轴Via™技术，弹性体互连和测试插座，以及信号完整性和电源完整性工程和制造服务。
S.M.桑德勒，通过阻抗测量扩展2端口分流器的使用范围，微波会议，IEEE MTT-S拉丁美洲， 2016年12月12-14日，http://ieeexplore.ieee.org/document/7851286/
[3] S. Sun, L. D. Smith，和P. Boyle，“片上PDN噪声表征和建模，设计con, 2010