PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第65页
第 3 章 低 阻 抗测 量 49 形或 磨 损 仅为 5mil, 那 么 探 针 尖 端的 残 留 回 路电 感 的 改 变 将多 达 5milX 20pH/m il = lOOpH, 这 个值可 能 已 经超过 校 准值 。 对 于 大多数探 针 尖 端 来 说 ， 在最好 的 情 况下 ， 阻 抗测 量的 本底 噪 声 限 制 在大 约 0.05 。 和 0. InH 之 间 。 图 3-18 标 出了 这 个 阻 抗 范 围 。…
48
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
频率
(Hz)
10
—
0.1
0.01
—
180
U
)
归 国
醇
册
(
H U
le09
0.1
leO7
le08
频率
(
Hz)
le09
0
2e08
4e08
6e08
8e08
le09
180
90
0
-90
-180
频率
（
Hz
）
-180-
0.08
0.06
0.04
0.02
0
le06
le07
le08
频率
（
Hz
）
0
〜
1
in
的
4
种不
DUT
的电路模型
90-
0
le06
le07
le08
频率
(Hz)
le09
le09
图
3-16
模拟了理想
RL
电路中的
Sn
，
它采用了一系列的传输线作为夹具
。
同传输线长度对提取的阻抗
、
L
和
R
值具有显著的影响
。
夹具加上
显示在左上的面板上
与
要 片
弱
群
)
日
要
将 屈
图
3-17
微探针探测通孔对焊盘的特写
。
VNA
正好标定在微探针的尖端
。
照片由
GigaTest
Labs
提供
少了测量时的夹具伪影
，
但它引入了接触电阻
。
单端口阻抗测量的第三个问题是探针的接触阻抗
。
探针与
DUT
的接触是
“
干
”
触点
。
对于金-金触点
，
其在
0.05Q
的范围内变化
；
对于氧化焊料或铜垫表面
，
变化可高达
2
。
。
即使探针功能是在测量范围外校准的
，
探针尖端的变形或探测
DUT
时的微小变化也
会影响已经校准的探针尖端的残留回路电感
。
例如
，
小环路的典型电感约为
20pH/mil
（
lmil=25.
4X10-
6m
）
。
如果探针沿着焊盘变
第
3
章低阻抗测量
49
形或磨损仅为
5mil,
那么探针尖端的残留回路电感的改变将多达
5milX20pH/mil
=
lOOpH,
这个值可能已经超过校准值
。
对于大多数探针尖端来说
，
在最好的情况下
，
阻抗测量的本底噪声限制在大约
0.05
。
和
0.
InH
之间
。
图
3-18
标出了这个阻抗范围
。
图
3-18
重复性探针测量的范围被确定为
R
=
0.
05£1
和
L=0.
InH
所对应圆圈的值
探针接触阻抗的可重复性为单端口
VNA
阻抗测量设置了基准底板
。
在高于
100
MHz
时
，
这将电容测量范围限制
＜0.0%F,
电感测量范围
＞
0.
1
nH
。
这是
PDN
组件特征的重
要限制
，
因为片上电容值可以达到
0.00WF,
通孔电感可以达到
O.OlnH
。
这也是实验室物理单端口测量的一个限制
。
如果仅包含
DUT
而没有任何夹具
，
那么
仿真的
S
”
仍可用于提取
DUT
的输入阻抗
，
即使在阻抗很低时
。
提示
单端口
VNA
测量结果可以转换为阻抗
，
但对于低于
0.
1Q
的阻抗
，
3
个伪像
（
信
嗓比
、
夹具传输线相位和接触电阻
）
会导致错误的测量值
。
测量典型的
PDN
阻
抗需要不同的技术
。
进行
PDN
测量
（
通常是非常低的阻抗
）
需要不同的技术
。
双端口
VNA
技术源于四点开
尔文低电阻测量方法
，
并突破了单端口
VNA
技术的限制
。
3.8
四点开尔文电阻测量技术
只要两种金属进行干接触
，
就会产生接触电阻
。
任何两个金属表面之间的接口处都存
在串联电阻
。
在没有氧化物或金属化合物的情况下
，
由于两个表面实际接触的区域非常
小
，
因而产生接触电阻
。
电流通过这个狭窄的接触区域时
，
阻力增加
。
我们通常称这种阻
力为收缩或扩散阻力
。
它随着实际接触面积的增加而减小
，
如接触压力增加时
。
在金-金表
面上
，
100g
重量的金属
，
接触电阻约为
20mQ
。
在氧化物存在时
，
这种接触电阻可以显著地超过
lOOmfk
在焊料为铝和铜等表面容易
氧化的金属时
，
接触电阻可高达
2
。
或更高
。
当导体结构的电阻小于
1
。
时
，
测量的串联电阻中接触电阻占主导地位
。
此方法最初
由威廉•汤姆森
（
William
Thomson
）
开发使用的
，
他是一位杰出的物理学家
，
于
1907
年去
50
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
世
，
其职业生涯长达
50
多年
。
汤普森是苏格兰格拉斯哥大学的自然哲学教授
。
他早期的成就之一是对第一条横跨大
西洋电缆进行的分析
，
为此他发明了传输线的概念
。
他是第一个推导和介绍电报员方程的
人
。
由于对大西洋电缆修理所做出的努力
，
他被授予爵士爵位并在早期被称为威廉•汤姆
森爵士
。
他是英国女王为上议院任命的第一位英国科学家
，
并以开尔文勋爵的头衔来纪念在其
大学附近的河流
。
从此他被称为开尔文勋爵
。
开尔文温标以他的名字来命名
，
以表彰他发
现最低温度的可能极限
。
在对电的其他研究中
，
他发明了一种简单的技术来克服接触电阻以测量金属导体的固
有低电阻
。
在传统的双线电阻测量中
，
电流源会通过与
DUT
接触的导线产生电流
。
可测得通过
导线的电流/和导线上的电压降
V
。
DUT
的阻抗按
V"
的比值来计算
。
与
DUT
接触的两
条串联导线是引线的串联接触电阻
。
这种方法通常被称为双线测量
。
提示在传统的双线电阻测量中
，
用于产生电流的两根引线同样也可用于测量电压
。
这意味着实际测量的是
DUT
的电阻加上串联的接触电阻
。
开尔文勋爵找到了解
决这个问题的方法
。
在开尔文勋爵的方法中
，
电压引线与电流引线分开
，
使其与
DUT
分别接触
。
四条引
线连接到
DUT
。
这种技术通常被称为四线或开尔文测量
。
通过器件的电流仍然是可测量
的
，
并流过串联的接触电阻
。
在开尔文技术中
，
使用独立的引线测量
DUT
两端的电压
。
虽然在电压引线上也有接触电阻
，
但是电压表的阻抗通常很高
，
因此接触电阻不会影响电
压测量
。
图
3-19
概括了这两种配置
。
电流表
hi
（
高
）
1
。
（
低
）
R
contact
双线测量
R
'contact
〉
M
高
）
R
contact
九
（
高
）
电流源
电流表
MA-
几
（
低
）
R
contact
》
（
（
低
）
R
contact
四线测量
图
3-19
传统双线电阻测量和开尔文四线方法
开尔文技术的本质是电流测量和电压测量分别使用独立的引线
。
这是测量直流低阻和
高频低阻的基础
。