测量亚百万欧姆PDN阻抗

高速和便携式电子产品仍在萎缩，而功率完整性要求继续要求更低的配电网络(PDN)阻抗。测量亚百万欧姆是困难的。在非常小的电路中获得低噪声，亚百万欧姆的测量有点困难。我们最近有机会支持研发公司Altanova[1]进行这项困难的测量。我们很感激他们允许我们使用他们的测量方法来帮助其他人面对这一挑战。如图1所示的最终结果显示，噪声甚至低至150 uΩ。

图1散装瓶盖和去耦的关闭状态测量即使低至150uΩ也显示出良好的保真度。这是最后的结果。

本文的目的是与您分享一些技巧，以便您也可以成功地执行这些度量。

模拟通常是第一位的

R&D Altanova是此类项目的专家，在制造昂贵的多层PCB之前，使用仿真工具优化PCB和去耦。仿真是一种更快、更便宜的优化PCB去耦的方法，而不是多次修改电路板。仿真结果也可以为测量设置提供见解。

仿真的VDDO PDN本体电容和去耦阻抗如图2所示。

图2不带VRM的VDDO电源轨阻抗在150khz ~ 40mhz范围内阻抗小于1 mΩ，部分频率阻抗小于等于200 uΩ。

PDN测量设置

仿真结果表明，阻抗测量范围在150 uΩ ~ 20 mΩ之间。表1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建议的最小值，这表明测量困难，尽管最好的选择是2端口分流通过测量。

表1基于VNA的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端口分流直通测量的测量设置如图3所示。

图3典型的2端口分流直通传输阻抗测量设置显示DUT, VNA端口和所需的同轴变压器(见文本)

通过测量的2端口分流包括一个不必要的直流接地环路，这是由于仪表板上的两个端口接地的RF连接和位于DUT上的远程DUT接地连接。这种直流接地回路是有充分记录的，并通过引入同轴共模变压器来解决，如图3所示。(无源和有源现成的50Ω匹配的同轴变压器可从Picotest获得。)固态器件产生最佳性能，允许测量直流电，而无源解决方案通常限制在几kHz。有源溶液也可用于比无源溶液更高的频率。

随着电路的不断缩小和电路板密度的增加，物理访问也是一个常见的限制。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与更常见的SMA连接器相比，UFL微型cox连接器和引线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)、连接器引线和被测件，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)、连接器引线和被测件。这个特殊的电路板是一个20层，Nelco N4800-20 PCB, 0.127“厚。

校正装置后，进行初始测量，测量结果如图6所示。测量具有正确的一般形状，但在大部分频率范围内，测量结果明显受到噪声的影响。

图6第一次测量尝试显示了正确的大致形状，但测量结果明显受到噪声的影响。

提高信噪比

公平地说，这个阻抗值低于通常推荐的1毫姆限值。S21在150 uΩ处的测量值为

假设源信号最大为+13dBm (1Vrms)，则接收信号为6uVrms。Bode 100和大多数其他质量的VNA可以测量104 dB的动态范围，并且接收器灵敏度小于3 uV，因此可以进行此测量。大多数vna，包括Bode 100，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、接收器带宽、点数和跟踪平均。

源振幅

为了使信噪比最大化，最好将源幅值设为最大值。这在接收器处产生了最大的信号。

衰减器

衰减器减少了信号，也增加了由于衰减电阻产生的有限数量的噪声。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。最窄的接收器带宽导致最低的噪声，但这也对应较长的扫描时间，因此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

像其他仪器一样，VNA需要不同的数据点。跟踪是通过在数据点之间插入完成的。虽然自然的趋势是增加数据点的数量来减少噪声，但这往往适得其反。更少的数据点导致更多的插值，从而导致更多的“平滑”数据。

跟踪平均

大多数vna，包括Bode 100，也可以包括跟踪平均。选择的走线数被平均，通过平均深度的平方根减少高斯噪声。与接收器带宽一样，这是以扫描时间为代价的。例如，平均深度为10，则需要10次扫描才能使平均效果最大化。我很少使用这个功能，主要是因为这个原因。

外部选择

也有一些外部选择，以提高信噪比，包括外部信号放大器的源和接收端口和电缆本身。

源放大器

Bode 100已经提供了比许多vna更大的信号，但可以使用外部功率放大器来增加。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，输入侧噪声密度为2nV/rt-Hz，信号增益为20dB。

电缆

无论您使用SMA还是微同轴连接器，都要仔细选择电缆。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和微同轴形式。此外，这些电缆从一个高质量的制造商。即使是良好的屏蔽电缆也可能受到不良连接器附件的影响。这些电缆确实很贵，但如果保养得好，它们可以使用很长时间。此外，要小心如何安装这些电缆。尽量让它们远离电路板的嘈杂区域。

改进的测量方法

只需应用一些噪声管理技术就可以获得更好的保真度。使用30 Hz接收器带宽，CH2无衰减，CH1有20 dB衰减的阻抗测量结果如图7所示。改进后的测量即使在150uΩ量级下也具有低噪声。通过采用更多的内部和/或外部改进方案，可以进一步降低噪音。

减少接收器带宽，增加信号源幅度并优化衰减器，可以获得更低的噪声测量结果。

确保数据的有效性

关于我们如何能够确信测量是准确的，总会有一个问题。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对测量的信心，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，最好是在你正在进行的测量相同的量级。例如，安装的250 uΩ电流检测电阻可以提供很好的精度指示。综合起来，这两种方法对测量的准确性提供了非常高的信心。

图7的实测结果与仿真结果的对比如图8所示。

图8 VDDO测量结果与仿真结果吻合良好，测量结果的精度置信度较高。

结论

即使低于100万欧姆，也可以进行精确的低噪声阻抗测量。提出了许多噪声管理技术，包括VNA的内部和外部，其中只有几个是实现150 uΩ的合理保真度测量所必需的。

特别感谢R&D Altanova为您的利益与我们分享他们的测量和优秀的相关性。

Altanova是专业从事先进技术印刷电路板工程、设计、制造、组装和制造服务的全套交钥匙测试接口解决方案的领先供应商。ATE行业的技术解决方案包括:细间距接口板制造，老化板，接口板和儿卡的嵌入式组件解决方案，导电桥™和同轴通孔™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。

萨姆·桑德勒，扩展2端口分流直通阻抗测量的可用范围，微波会议，IEEE MTT-S拉丁美洲， 2016年12月12-14日，http://ieeexplore.ieee.org/document/7851286/

[10]孙绍文，李志强，“芯片上PDN噪声的表征和建模”，电子工程学报，2010