极端的测量
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本系列博客是由SIJ编辑顾问委员会(EAB)成员Steve Sandler提出的一个想法而诞生的，它面向任何想要记录(吹嘘或抱怨)极端测量挑战的工程师。如果您有一个极端的测量，并希望向SIJ EAB寻求帮助，您可以这样做在这里提问．但首先，看看下面的帖子，看看其他人都在做什么!

信号的完整性

Benjamin Dannan是一名技术人员和经验丰富的信号和电源完整性(SI/PI)设计工程师，在诺斯罗普·格鲁曼公司推进高性能ASIC和FPGA设计。他是Keysight ADS认证专家，精通高速仿真解决方案和多个3D EM解决方案。他精通多种测试和测量解决方案，包括示波器、矢量网络分析仪(VNA)、时域反射计(TDRs)、函数发生器和EMC实验室测试设备。

他是IEEE的高级成员，也是DesignCon TPC的成员，拥有多方面的背景，包括广泛的专业工程和军事经验。他多年的工程经验包括设计、开发和推出生产产品，包括asic、雷达、全自动机器人平台、泛倾斜变焦(PTZ)摄像机视频系统和地面战斗车辆。他是信号和电源完整性概念、高速电路和多层PCB设计方面的专家，并拥有多年的EMC产品开发和认证经验，以支持全球产品发布。此外，他在Chip-Package-PCB-VRM电源传输网络(PDN)原理方面拥有丰富的经验。

本杰明拥有网络安全认证，普渡大学学士学位，宾夕法尼亚州立大学电气工程工程硕士学位，并从美国空军本科作战系统军官培训学校毕业，获得航空评级。本杰明是一名训练有素的美国空军电子战军官，曾在阿富汗和伊拉克部署EC-130J Solo突击队，共执行47次战斗任务，同时也是一名训练有素的美国空军网络作战军官。此外，他还与人合著了多篇同行评审的期刊出版物，并获得了著名的DesignCon 2020最佳论文奖，该奖项授予半导体和电子设计领域的领先从业者。

超低阻抗(4微欧姆)测量

2022年7月26日

本杰明Dannan

英特尔、英伟达、AMD、高通和博通等公司正在把更多的内核放在单个芯片上。安培就是一个很好的例子，他们设计了一个单芯片128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解决方案上的电流。然而，我们可以在我们的配电网络(PDN)设计中管理阻抗。挑战在于这些处理器解决方案需要大量的电流，超过1000A，因此PDN目标继续降低到更低的水平。这意味着必要的阻抗目标远低于100 uOhm，甚至低于32 uOhm。

Steve Sandler在2018年EDICON大学[1]会议上演示了如何测量低于100 uOhm的解决方案，并在该会议上演示了22 uOhm。一些关键的要点是尽量减少测量设置中使用的电缆中的屏蔽电阻，增加CMRR，并控制接地回路。

那么，如果我们的阻抗目标低于22 uOhm，甚至低于10 uOhm呢?我们如何衡量它呢?

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

好的，让我们用一个10 uOhm DUT来检查我们的测量设置。转念一想，我在哪里可以找到一个10欧姆的DUT?不幸的答案是，我们需要自己创造。

图1描述了创建的DUT。然而，当它第一次制作时，人们并不确切地知道这个PCB底座上铜的阻抗是什么。我们怎么验证这个呢?图1。描述4.5 uOhm已知DUT

如图2所示，使用精确的电源，通过DUT和电缆提供1A源，用6.5位数字万用表(DMM)测量的压降就是我们的阻抗降。请注意，直流测量使用与矢量网络分析仪(VNA)测量通过的相同连接器。

图2。测量设置与电源，DMM, PDN电缆和DUT

在图3中，一个电源通过DUT源1A，使用一个连接器，我们看到另一个连接器的值为5.6 uV。源电流增加到2A的结果是10.1 uOhm。DUT的值是通过计算10.1 uOhm和5.6 uOhm结果之间的差值得到的，等于4.5 uOhm。这种方法使DMM偏移误差最小化。作为提醒，在启用源电流到DUT之前，您应该将DMM归零。

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图3。1A和2A电流通过DUT的测量结果

现在让我们回到如何用VNA测量低于10 uOhm。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与最小输入功率之间的差值;它是在特定衰减器设置下的最大信号和在相同设置下的最小可测量信号之间的范围。从1hz到1khz, Bode 100的动态范围为115 dB。

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帮助的地方。外部功率放大器可以增加DUT的输入功率，从而增加测量设置的信噪比(SNR)。史蒂夫·桑德勒在他的EDICON大学[1]会议上证明了这一点，他展示了只有提高信噪比的方法是增加源幅值，除非DUT几乎无噪声，但这种情况很少出现。

如图4中铜短的测量设置所示，我们使用的是带有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根0.25米PDN电缆。B-AMP 12使信号源功率增加了12 dB，而J2113A通过其近60 dB的CMRR降低了接地回路。

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。校准设置与Bode 100, B-AMP 12, J2113A，和铜短

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, 4.5 uOhm DUT

校准后，用Bode 100、B-AMP 12、J2113A和PDN电缆捕获2端口分流测量结果，如图6所示。蓝色轨迹是我们铜空头的测量值，如图4所示。这个蓝色的轨迹也表示我们测量设置的噪声底。红色痕迹是已知的4.5 uOhm DUT。如图6所示，在61 Hz时捕捉到4.4 uOhm的值。这与我们之前的直流测量设置相差约100诺姆，如图2所示，这验证了我们的校准过程。