超低阻抗(4微欧姆)测量

英特尔、英伟达、AMD、高通和博通等公司正在将更多的内核放在单个芯片上。安培是一个很好的例子，他们设计了一个在单个芯片上有128个核的云处理器解决方案。

众所周知，为了满足电压纹波规格，设计人员无法控制这些处理方案上的电流。然而，我们可以在配电网络(PDN)设计中控制阻抗。挑战在于这些处理器解决方案需要大量的电流，高达1000A，因此PDN目标继续降低到更低的水平。这意味着所需的阻抗目标远低于100欧姆，甚至低于32欧姆。

Steve Sandler在2018年EDICON大学的一次会议上展示了这个问题的解决方案，该会议讨论了如何测量低于100欧姆的电流，并在该会议上展示了22欧姆的电流。一些关键的要点是尽量减少测量设置中使用的电缆的屏蔽电阻，增加CMRR，并控制接地回路。

那么，如果我们的阻抗目标低于22欧姆，甚至低于10欧姆呢?我们如何衡量呢?

在测量低于10欧姆之前，我们首先需要一个已知的被测设备(DUT)来检查校准后的测量设置。

好的，让我们用一个10欧姆的被测器来检查我们的测量设置。再想想，我在哪里可以找到一个10欧姆的DUT?不幸的是，我们需要自己制造它。

图1描述了创建的DUT。然而，当它第一次被制造出来时，人们并不确切地知道这个PCB安装上的铜的阻抗是什么。我们怎么验证这个呢?图1所示。描述4.5欧姆已知DUT

如图2所示，使用精确的电源，通过被测件和电缆输入1A，由6.5位数字万用表(DMM)测量的电压降就是我们的阻抗降。请注意，直流测量使用的连接器与矢量网络分析仪(VNA)将通过的连接器相同。

图2。测量装置包括电源、DMM、PDN电缆和DUT

在图3中，电源通过DUT输入1A，使用一个连接器，我们看到另一个连接器的值为5.6 uV。将源电流增加到2A产生10.1欧姆。DUT的值是通过取10.1欧姆和5.6欧姆结果之间的差值来计算的，等于4.5欧姆。该方法使DMM偏移误差最小化。提醒一下，在使能源电流到DUT之前，您应该将DMM调零。

图3。测量结果与1A和2A电流通过被测器

现在让我们回到如何用VNA测量低于10欧姆的电压。这就是VNA的动态范围变得至关重要的地方。动态范围不仅仅是分析仪接收机的最大输入功率和最小输入功率之差;它是从特定衰减器设置下的最大信号到相同设置下的最小可测量信号的范围。从1hz到1khz, Bode 100有一个115 dB的动态范围。

如果我们的VNA没有足够的动态范围怎么办?

这就是外部功率放大器可以提供帮助的地方。外部功率放大器可以增加被测件的输入功率，从而增加测量装置的信噪比(SNR)。史蒂夫·桑德勒(Steve Sandler)在爱迪生大学(EDICON University) 2010年的会议上展示了这一点只有提高信噪比的方法是提高源幅值，除非被测件几乎是无噪声的，但这种情况很少发生。

如图4中带铜短线的测量设置所示，我们使用带有OMICRON Lab B-AMP 12功率放大器的Bode 100、Picotest J2113A半浮动差分放大器和两条0.25米PDN电缆。B-AMP 12为信号源功率增加了12 dB，而J2113A通过其近60 dB的CMRR降低了地环路。

OPEN和LOAD校准步骤的设置如下图4所示，其中SHORT夹具被OPEN或LOAD校准夹具替换。

图4。校准设置Bode 100, B-AMP 12, J2113A和铜短线

图5描述了我们现在已知的4.5 uOhm DUT在2端口校准后的测量设置。

图5。测量设置与Bode 100, B-AMP 12, J2113A，和4.5欧姆的DUT

校准后，使用Bode 100、B-AMP 12、J2113A和PDN电缆捕获2端口直通测量结果，如图6所示。蓝色的轨迹是图4中所示的铜短线的测量值。这条蓝色的轨迹也代表了我们的测量设置的噪声底。红色的轨迹是已知的4.5欧姆DUT。如图6所示，在61 Hz时捕获4.4 μ m的值。这与我们之前的直流测量设置相差约100欧姆，如图2所示，验证了我们的校准过程。

现在我们有了已知的DUT、测量设置和校准过程，我们准备执行10 μ m以下的测量，并遵循图7所示的过程。

结论

这个讨论演示了如何验证一个已知的DUT。为这些低阻抗测量提供已知的DUT与Eric Bogatin的第9条规则在没有事先预测到预期的结果之前，绝不要进行测量或模拟。此外，还讨论了如何使用带有外部放大器的VNA来提高信噪比，以测量已知DUT降至4.5 uOhm，以满足下一代asic的阻抗目标。

下一步，由于这个测量显然是推动了这个设置的极限，我们可以尝试一个具有更高动态范围的VNA，如Keysight E5061B。我们也可以使用外部放大器，提供比B-AMP 12更高的增益。最后，我们可以用一个更好的短校准后重新测量。

参考文献

1. s·m·桑德勒，"如何测量超低阻抗(100ohm及以下)pdn， 2018年10月EDI CON。
2. s·m·桑德勒，"2端口分流测量和固有接地回路， 2018年10月EDI CON。
3. 申请说明-超低阻抗(20微欧姆)测量使用2端口分流．
4. OMICRON实验室Bode 100 VNA
5. 12放大器
6. Picotest J2113A半浮式差分放大器
7. Picotest PDN电缆
8. Ampere Altra Max 64位128 Core ARM CPU Datasheet(数据表)