PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第56页
40 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 执 行这种 测 量的 常 规 仪器 是 矢量网络 分 析 仪 （ VNA ） 。 3. 4 用 VNA 测 量阻 抗 矢量网络 分 析 仪中 的矢量 是指 仪器 测 量 波 的相 位和 幅度 的特 征 。 要 想 做到 这 一 点 ， 它 必 须 分 离 出入 射 和反 射 信号 ， 二 者 在 相 同 的 互 连结 构 中传 播 ， 尽 管 方 向…
第
3
章低阻抗测量
39
提示
在频域中
，
基于反射信号的阻抗是朝向
DUT
看的总集成输入阻抗
，
其取决于沿
着整个分布式互连结构的阻抗分布的复杂方式
。
如果
DUT
是扩展对象
（
例如图
3-4
所示的
固定装置末端的理想电阻
）
，
则存在入射信号
反射到固定装置前部的可能
。
信号通过固定装
置传播到实际的被测设备中
，
并在每个不连续
处反复多次反弹
。
当人射信号是单个正弦波时
，
反射信号是
来自每个接口的每个反射正弦波的组合
，
包括
来回的所有多个反弹
。
传播回源的净反射信号
是每个正弦波的和
，
每个正弦波具有不同的幅
度和相位
，
但全部具有相同的频率
，
如图
3-5
所示
。
图
3-4
扩展固定装置末端的分立元件
。
入射波
沿分布式固定装置以及
DUT
的多个位置
进行反射
图
3-5
反射信号是来自每个不连续点的所有反射正弦波和它们多次反弹的组合
。
形如
“
闪
电
”
的走线表示互连结构
，
其沿着长度分布的阻抗不连续性变化很大
，
从而导致多
次反射
值得注意的是
，
当一组具有相同频率但具有任意幅度和相位的正弦波相加时
，
所得到
的波形也是具有相同频率的正弦波
。
从
500
源阻抗看
，
反射的正弦波幅度和相位具有
DUT
的总集成阻抗的信息
。
这种输入阻抗的替代定义比
V
〃的比值更一般化
，
并且是适
用于所有结构包括极高频率的测量技术的基础
。
提示
DUT
输入阻抗的另一个定义是基于从
DUT
反射的已知阻抗上的电压大小
。
反
射系数是一个复数
，
是在每个频率下整个
DUT
的总集成输入阻抗的度量
。
我们通过发送一个正在传播的正弦波信号到被测设备
（
其阻抗控制良好
）
来测量被测设
备的输入阻抗
，
并测量反射的正弦波的振幅和相位
。
从已知的源阻抗和测量的反射系数
中
，
我们能提取出
DUT
的阻抗
。
该输入阻抗是从连接正面看的总输入阻抗
，
包括任何固
定装置加上
DUT
。
40
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
执行这种测量的常规仪器是矢量网络分析仪
（
VNA
）
。
3.
4
用
VNA
测量阻抗
矢量网络分析仪中的矢量是指仪器测量波的相位和幅度的特征
。
要想做到这一点
，
它
必须分离出入射和反射信号
，
二者在相同的互连结构中传播
，
尽管方向相反⑴
。
网络分析仪的源阻抗一般是
50
。
。
通常在连接它的同轴电缆末端进行校准
。
VNA
已经
使用了
50
多年
，
并且已经制定了详细的形式来描述它们的测量标准
。
VNA
和
DUT
之间的连接被称为端口
。
VNA
的电子线路将正弦波发送到每个端口
，
同时测量从
DUT
返回到
VNA
端口的任何正弦波
。
DUT
所能看到的每个端口阻抗都被校
准为
50Q,
这包括源端接和精密的同轴电缆
。
只需要测量两个相邻导体之间的电压就能够区分进出
VNA
的波形与普通示波器的不
同
。
但它不能区分测量电压的传播方向
。
图
3-6
显示了在一个正常运行的电路板上
，
信号
和返回导体之间的测量电压
。
板上端子之间的瞬时电压快照没有关于信号在互连传播方向
上的信息
。
如果培训仅是让你作为一名工程师并使用示波器来查看信号
，
那么你将会一直无法看
到电压真正在传导
。
许多示波器信号是在相反方向上传播的两个波的组合
，
并且同时测量
为探测位置处的总电压
。
如果探测点位于互连位置的中间
，
则尤其如此
。
提示
示波器只能测量信号和返回路径之间的总电压
，
而不是信号传播的方向
。
必须
使用进一步的分析来解释示波器上的电压信号
，
并且将互连中各个方向上传播
的信号进行分类
。
VNA
被设计为测量每个端口在两个方向上传播的波的幅度和相位
。
正弦波可以从任何
VNA
端口出来
。
正弦波的一部分进入
DUT,
而另一部分散射出
第
3
章低阻抗测量
41
DUT
传播回到源
。
VNA
测量从
VNA
出来进入
DUT
散射回来的正弦波与进入
DUT
的波的比
值称为散射参数
，
简称
S
参数
。
图
3-7
显示了
VNA
一个端口的示意图
。
这也是用来模拟
VNA
测量的
SPICE
电路
。
在这个电路中
，
信号源产生一个正弦
波
。
这个电压通过一个精确的
500
电阻传输
到精确的
50
。
同轴电缆上
。
我们确切知道传
播到
50
。
电缆的入射电压
。
它正好是正弦波
源电压的一半
，
因为它基于
500
电阻和
50
。
传输线的分压器
。
在实际中
，
我们通过测量图
3-7
所示电路
中另一个分压器上的电压
V.
来间接测量这个
入射电压
。
该电压与传播出
VNA
的入射电压
完全相同
，
它从端口
1
输出至传输线中
。
这是
入射到
DUT
的波形
。
由于与端口的
50
。
源阻抗相比
DUT
的
阻抗会发生变化
，
所以净反射波传播回
DUT
的入射波和从
DUT
传回的散射波
。
从
V
reflected
标准或
参考平面
图
3-7
VNA
端口示意图显示了正弦波发生器
，
包
括
50
。
源阻抗
、
测量反射幅度和相位的内
部电子器件
。
参考平面是端口的边界
。
明
确显示了端口的返回路径和
DUT
的输入
VNA
O
这个单一的净波
（
可能是多个传回
VNA
的正弦波的叠加
）
将通过标记为
Kwi
的内部
测量点
。
我们用精密复杂的电压表测量此点总电压的幅度和相位
。
像任何示波器一样
，
在同一个同轴电缆中
，
这个位置的电压表不能将从左到右传播的
反射电压波与从右向左传播的入射电压波分开
。
只能测量总电压
，
总电压是
incident
+
Vreflected
的总和
。
由于
incident
是在纯电阻分压器中独立测量的
，
所以我们可以很容易地从以
下公式中提取出反射电压
：
V
reflected
=
V
total
V
ref
(3-5)
传播到
VNA
端口
1
的任何反射波都将被
50
。
源电阻端所截止
，
永远不会回到
DUT
O
我们根据测量的匕
。
tai
和
Kef
计算反射系数
，
它相当于
incident
。
因为两个波的相位也被
测量了
，
所以反射系数是复数
。
DUT
的
S
参数由从每个
DUT
端口出来的正弦波与进入每个
DUT
端口的正弦波比值
组合而组成
。
为了跟踪
DUT
端口中出入信号的所有组合
，
每个端口都标有一个索引号
，
S
参数的下标用来标识出端口和入端口
。
S
参数的定义是
：
q
=
从
j
端口出来的正弦波
一进入端口
k
的正弦波
(3-6)
反射系数
S
”
是端口
1
的反射信号与端口
1
的人射信号的比值
。
该参数通常被称为回波
损耗
。
插入损耗是从
DUT
端口
2
出来的正弦波与进入
DUT
端口
1
的正弦波比值的幅度
。
插入损耗是
S21
的幅度大小
，
通常以
dB
为单位
。