PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第53页
第 3 章 低 阻 抗测 量 37 表 压 电 图 3-1 通过 测 量 DUT 上 的电 压和 电 流来 计算阻 抗 这种 方法 具 有基 于 最 高 实 际频率的频率 上 限 ， 以 直 接测 量 流 过 DUT 的电 流 。 当 频率 高 于 100 MHz 时 ， 根据 阻 抗 的 另一个 定 义 测 量阻 抗 通 常有更 高的 性 价 比 。 3.3 基 于信号反 射 的阻 抗测 量 阻 抗 的 另一个 完 全不同 的 定 义…
第
3
章
|
Chapter
3
低阻抗测量
3.
1
关注低阻抗测量的原因
设计一个强大的配电网络实际上就是设计一个能通过较宽频率的目标阻抗曲线
，
其范
围从直流到最高频率信号的带宽
。
在不同的应用程序中
，
目标阻抗的值在一些应用中或许
高于
1Q,
也可能低于
1m
。
。
仿真是每个
PDN
单元和整个生态系统设计分析过程中的关键部分
。
系统组件的测量
与模拟的相关性同样重要
。
测量不仅可以验证制造的组件是否符合性能规格要求
，
还可以验证仿真工具的准确性
以及将物理设计转换为仿真环境的过程
。
测量是最终的测试
，
使整个
PDN
生态学可最大
限度地达到目标阻抗
。
如果不是
，
那么测量可以成为加快调试过程的重要工具
。
我们面临
的挑战是如何测量低至
1m
。
结构的阻抗和频率高达
1GHz
的低阻抗
。
3.2
基于
V//
阻抗定义的测量
双端口器件阻抗的基本定义是其两端电压与通过它的电流之比
。
这是电路仿真中阻抗
分析仪的基础
，
用于测量低频组件的阻抗
。
提示阻抗的一个基本定义基于流过被测设备
（
DUT
）
的电压和电流的比值
。
这只是阻
抗的一个定义
，
下一节介绍另一个
。
原则上
，
我们在被测设备
（
DUT
）
的一个频率上施加正弦波电压
，
并测量流过它的电流
的幅度和相位
，
如图
3-1
所示
。
阻抗计算
：
Z</
）
=
7^7
（
3-1
）
式中
，
Z
（
/
）
是
DUT
的阻抗
；
V
（
/
）
是其上测量的电压
，
为复电压
；
是通过
DUT
上的
电流
，
为复电流
。
这是许多低端阻抗分析仪的测量基础
。
正弦波电压源驱动通过
DUT
的信号
，
并测量
通过它的电流
。
DUT
上的电压与流过它的电流之比与相位一起是
DUT
的阻抗
。
第
3
章低阻抗测量
37
表
压
电
图
3-1
通过测量
DUT
上的电压和电流来计算阻抗
这种方法具有基于最高实际频率的频率上限
，
以直接测量流过
DUT
的电流
。
当频率
高于
100
MHz
时
，
根据阻抗的另一个定义测量阻抗通常有更高的性价比
。
3.3
基于信号反射的阻抗测量
阻抗的另一个完全不同的定义利用了在界面反射的传播波的重要性质
。
该定义基于信
号完整性的最基本原则之一
，
即信号是动态的
，
它既是传播的电压波也是电流环路
。
并且
它们沿着特定方向向下传播
。
在构成传输线
（
包括信号和返回路径
）
的两个导体上施加电压后
，
电压差在导体周围的
材料中以电磁传播的速度沿着传输线向下传播
。
除了电压波头以外
，
还存在与其相关联的
具有两个方向的传播电流波头
。
提示
在信号完整性中最重要的原则为信号是动态的
，
并不断地沿传输线传播
。
该信
号是信号和返回导体之间的电压差
。
电流以传播方向和循环方向作为电流环波
头向前传播
。
电流波头与电压向相同方向传播并具有循环方向
。
从左向右传播的正电压信号是在信号
和返回路径之间流动的电流环路
，
其从左向右传播并沿顺时针方向循环
。
负电压信号是从左
向右传播的电流波
，
从返回信号导体到回路间沿着逆时针方向循环
。
图
3-2
说明了这一点
。
图
3-2
传播信号显示在传输线两个位置中的电压和电流波形
随着这个波的传播
，
它对每一步的瞬时阻抗做出反应
。
如果瞬时阻抗恒定
，
则电压和
38
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
电流波形的传播不会失真
。
如果瞬时阻抗因任何原因而改变
，
则会产生反射波
，
并且发射
波会失真
。
提示
所有信号都是动态的
，
并始终在介质中以光速传播到传输线上
。
只要遇到瞬时
阻抗的变化
，
它就会反射出来
。
这个概念是第二种测量阻抗方法的基础
。
图
3-3
给出了两个不同互连结构的简单例子
，
每个具有不同的瞬时阻抗
。
当从左到右
传播的信号到达接口时
，
会看到瞬时阻抗的变化
。
反射信号从右到左传播并返回到源
。
这
是一个动态过程
。
,入射信号
,传输信号
reflected
图
3-3
当信号遇到瞬时阻抗发生变化时
，
会产生反射信号
反射信号与入射信号和接口两侧的阻抗
有关
。
定义两个区域的阻抗为
V
”
,
并根据接
口处的边界条件
，
得出反射系数
：
式中
，
p
是反射系数
；
K
是在
1
侧从左向右传播的人射电压
；
匕是在
1
侧从
右向左
传播的
入射电压
；
Z
］
是区域
1
中的瞬时阻抗
；
Z
2
是区域
2
中的瞬时阻抗
。
这种关系适用于时域和频域
。
在时域中
，
传播波波头的每个部分在任何时刻的电压都
服从这种关系
。
在频域中
，
所有信号都是正弦波
，
每个正弦波都有一个频率
、
幅度和相位
。
频域中的
电压信号用复数进行描述
。
这意味着电
压比
、
反射系数和阻抗都是
复数
。
如果源阻抗
Z1
是众所周知的
，
则可以利用反射系数计算引起反射的第二阻抗
(
Z2
)
。
重新排列公式后
，
进行代数运算
，
可以得出第二个阻抗为
：
Z
2
=
Z1
(3-3)
1
一
。
式中
，
p
是反射系数
；
4
是区域
1
中的瞬时阻抗
；
Z2
是区域
2
中的瞬时阻抗
。
如果源阻抗为
50
。
，
并且传播波从其端点反射
，
则从反射系数中可提取出任何两端
DUT
的输入阻抗为
：
Z
dut
=
50Q
(3-4)
1
一
。
该关系代表了定义阻抗的一种反射方法
，
它与电压和电流比值不同但相等
。
阻抗是被
测设备的
“
输入
”
阻抗
。
如果
DUT
是简单的分立元件
(例
如理想的电阻或电容器)
，
那么输
人阻抗就是元件的阻抗
。