在本文中，我们将展示一些模具上电源导轨测量的示例。

对于这个项目，我们将使用Atmel 328微控制器演示板，准备了固件来明确地控制它，并在I/O引脚和范围的有源探头输入之间连接同轴电缆。这种互连为信号提供了高带宽的传输线路径。这些示例的测试设备是Teledyne LeCroy HDO8108A示波器和三个Teledyne LeCroy RP4030有源电压轨探头(见图1)。

图1

这是我们的仪器演示板的设置:一个I/O(引脚8)将被切换为示波器的触发器，为我们后续操作提供参考。触发器是一个持续一个时钟周期的单一高低脉冲。为了不将该线路与同轴电缆的50-Ω输入一起加载，我们在同轴电缆焊接到电路板走线的地方添加了一个450-Ω电阻。因此，它会给我们10倍的衰减，但考虑到它只触发示波器，我们不关心这个信号的信噪比。

其他一些引脚将加载50-Ω或1-MΩ输入到示波器，因此我们可以打开和关闭该直流负载，并查看额外的I/O电流对芯片的影响。

另一个引脚是我们的静音低引脚设置为低输出，它有效地将其输出连接到芯片上的Vss，并使用电压轨探头进行监测。同时，另一个引脚是一个静高引脚，设置为高输出，它有效地将其输出连接到模具上的Vcc并类似地监测。这两个引脚都离开电路板进入同轴传输线，并直接进入轨道探头。

我们还将监视演示板本身的5v线。其他几个引脚被配置为驱动LED负载，我们可以切换开关，并看到这些负载对导轨的影响。

On-Die电源轨的特征

对于本例，微控制器的时钟速率为16 MHz(1周期= 63 ns)。当DUT处于空闲状态，没有I/O切换时，芯片上不应该发生任何事情。在这种状态下，我们可以看到机载配电网络(PDN)的噪声水平，以及从开关模式电源和低差调节器发出的一些噪声。我们应该看到最低的噪音行为。

即使没有I/O切换，微控制器也会持续运行后台维护功能，如看门狗定时器、其他定时和计数，以及运行时钟。随着I/O切换，我们应该看到地面反弹和功率下降，导致模具上的轨道压缩。

现在我们已经准备好开始一些芯片上的电源轨道测量，这是一个好主意，退一步，并预测这些测量应该显示给我们什么。当CMOS门开关时，在芯片上实际发生了什么?我们应该期待看到什么上模电源轨?时钟边缘会发生什么呢?

当I/O门从逻辑低电平切换到逻辑高电平时，来自芯片上配电网络(PDN)的电流将从Vdd/Vcc轨一路流到Vss轨(图2)。这是因为当器件从低电平切换到高电平时，输出线的电容参考了两个轨的电容。

图2

当I/O门从高电平切换到低电平时会发生什么情况(图3)?这是合乎逻辑的认为，它将简单地释放电容通过n通道栅极和电流流动将是局部的环路。但在芯片上，输出电容也通过芯片上互连电容参考Vdd/Vcc。当输出线从高电平切换到逻辑低电平时，我们通过n沟道栅极释放该电容中的电荷，但我们也通过互连到Vdd的电容产生电压降。dV/dT到Vdd轨驱动电流也通过这条路径。

图3

因此，即使当I/O从高电平切换到低电平时，我们仍然会有PDN电流流过PDN的阻抗。反过来，这意味着我们将看到电流在时钟的两边流动。

时钟的两边都有开关。一般来说，根据逻辑设计，当时钟沿上升时，门被开关，当时钟沿下降时，门被锁存。在闭锁时，应比在开关时消耗更少的电流。因此，即使我们在两个时钟边的Vdd/Vcc和Vss之间获得PDN电流，也应该存在电流流动的不对称性(图4)。

图4

这总结了我们的期望，我们应该看到在模具上的电源轨道。没有I/O切换。现在让我们看看实际的测量结果。

回顾了片上电源轨测试的测试设置以及我们对测试结果的期望之后，让我们来回顾一下测量结果。我们还会注意我们的结果是否符合我们的预期。

首先，让我们看看MCU的空闲状态，并且只有低电流触发I/O功能在起作用(图5)。顶部走线是静高线(芯片上的Vcc)，而底部走线是静低线(芯片上的Vss)，两者都相对于演示板上的地面。这是对配电网络(PDN)上的电压噪声的直接测量。在空闲状态下，没有I/O切换。这个PDN电流流过封装。一些噪声是由片上PDN阻抗引起的，一些是由封装阻抗引起的。由于片上核心逻辑开关引起的时钟边缘噪声明显，峰值噪声约为75 mV。

图5

图5中中心的黄色轨迹是我们用作作用域参考的单个触发引脚。它正在吸收少量电流;这是一个500-Ω负载和一个5v的电源，所以当它接通时，它会消耗大约10毫安。

我们可以使用内置的参数提取计算器来测量触发信号的重要数值。上升时间为3.2 ns，这给了我们在这个特定的Atmel MCU中输出驱动器的上升时间。脉冲宽度测量64纳秒;时钟频率是16兆赫，这是一个时钟周期。I/O在第一个时钟周期的前沿高电平切换，在第二个时钟周期的前沿低电平切换。

在触发事件前后，空闲状态下的电压噪声反映了MCU的其他活动，如寻找中断等。

另外，请注意，当输出从高电平切换到低电平时，电源轨会崩溃，并且会有一些超调的恢复。这就是小的10毫安开关电流对电源轨的影响。安静线上的噪声，看片上的Vss轨，是I/O从高电平切换到低电平时的地面反弹。

这就是骰子上发生的事情。印刷电路板呢?图6显示了相对于地的电路板级Vcc电源。顶部是一个5v USB笔记本电脑端口，为MCU供电，它显示了开关模式电源(SMPS)的典型特征。电源的开关频率约为50khz。噪声为30mv pk-pk，噪声小于1%。底部是板上的低差(LDO)稳压器，由外部9-V直流电源供电。这种供应是典型的SMPS。LDO滤除了大部分开关噪声。这里的电压噪声仅为2 mV pk-pk，这就是我们测量系统的信噪比非常重要的地方。

图6

接下来，让我们看看当我们启动其他I/ o开关时会发生什么。图7显示的是芯片上的电压噪声(顶部为白色的静高线/Vcc)，以及另一个I/O开关(中间为紫色的V_I/O)。当这个I/O切换时，我们看到在安静的低线/Vss(蓝色底部)中有更多的电流流动，并且有一些负的接地反弹。当I/O开关接通时，大量电流流过接地回路，它看到封装引线上的电感。所有共享Vss线的芯片都看到了这个电压噪声。

图7

在片上电源轨本身(Vcc)上，我们可以在I/O开关打开之前看到迹线左侧部分的时钟噪声。当开关发生时，我们可以看到一个非常大的电压降，以及更多的电压噪声。这是由几个I/O同时切换造成的大约300 mV的下降(图7的屏幕截图中只看到一个)。当V_I/O从高电平切换到低电平时，Vss中会出现大约200 mV的电压反弹。

同时，在电路板上(中间红色的vc板)，可以观察到很小的噪声，电压降小于30mv。在这种情况下，发生在骰子上的瞬时电流才是侵略者。芯片上的噪声必须通过封装引线的电感和板上电容。这是一个LC低通滤波器。没有高频成分使他们的方式通过这个滤波器到板级Vcc。

最后，让我们看看一堆I/ o切换时的波形。我们将为I/ o使用更长的on-time，并将时间基数缩小以获得更大的图像(图8)。在顶部的绿色部分，我们可以看到die上的高/Vcc线。我们的垂直刻度设置在200 mV/div，这是一个几乎600 mV的电压降，从5.1 V到4.5 V。您可以在走线中看到一些瞬态信号，以及大量低频或直流分量的证据。这表明在片上PDN中有大量的IR下降。

图8

同时，电路板上的电压(红色走线)具有更小的电压噪声，仅下降12 mV和快速的2 μs恢复。正如我们所料，我们看到了一个严重的阻尼反应。SMPS电压恢复，因为在晶片电流瞬态的轻微电压下降后，检测线将电压拉回。片上电压噪声和板上电压噪声之间存在巨大差异。由于大电流通过封装电感开关，封装中存在250mv的瞬态地反弹噪声。

这个例子说明，仅仅因为我们测量了电路板上的电压噪声，我们对芯片上的噪声知之甚少。如果这种板上噪声的攻击者在板上，则片上噪声将减少。如果这种板上噪声的攻击者在芯片上，芯片上的噪声可能会大得多。

在分析应用程序中的电源导轨噪声时，这是要记住的重要教训。使用本文中介绍的技术，有时可以直接测量晶片上的噪声，这才是真正重要的。

以前在电视上发表的版本测试发生博客．