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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 …

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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
。
第
3
章低阻抗测量
51
提示
为了避开接触电阻
（
或阻抗
）
效应
，
两根分开的引线来流过电流
，
另外两根引线
测量电压
。
这可将
DUT
的阻抗与连接它的夹具阻抗分开
。
3.9
双端口低阻抗测量技术
如本章前面所述
，
我们可以使用单端口网络分析仪来测量阻抗
。
尽管它是单端口
，
但
实际上是两根导线连接到
DUT
的
：
信号导体和回路导体
。
这种技术对探针和夹具中的接
触阻抗非常敏感
，
且仅在阻抗高于
0.
10
时准确测量
。
如果使用
VNA
的两个端口
，
则可能
克服此限制⑵
。
在双端口技术中
，
一个端口将电流回路驱动到
DUT
中
。
这会在
DUT
上产生电压降
。
第二个端口测量
DUT
上产生的电压
。
DUT
需要两个独立的触点
，
以便两个探针不共用触
点路径
。
图
3-20
展示了双端口技术
。
图
3-20
双端口低阻抗
VNA
测量示意图
，
其中两个端口独立连接到相同
DUT
的两端
从端口
1
上看
，
我们可以看到
DUT
的低阻抗与端口
2
的
500
电阻并联
。
如果
DUT
的
阻抗比端口
2
的阻抗低得多
，
则它会分流端口
2
的阻抗
，
这是
PDN
DUT
测量时的常见情
况
。
当端口
1
的入射信号遇到
DUT
时
，
其阻抗非常低
，
反射系数接近一
1
。
正向信号
incident
在电流回路中以顺时针方向循环接近
DUT
,
向下传播到
50
。
的电缆
。
入射电流回路的大小为
Kncident/50Q
。
负向信号
Keflected
从
DUT
上返回
，
电流环路向端口
1
传播
，
也沿顺时针方向循环
。
反射信号电流环路的大小为
Vreflected/50
。
。
流过
DUT
的净电
流是
DUT
上这两个电流回路的总和
。
当
DUT
的阻抗很低时
，
反射系数接近
一
1
。
反射电压与人射电压的大小相同
，
但极性
相反
（
180°
的相位变化
）
。
沿顺时针方向循环的反射电流环路与入射电流环路的幅度相同
。
通过
DUT
的净电流回路是入射电流回路和反射电流回路的总和
，
它们都以顺时针方向循
环
。
当
DUT
的阻抗远低于
500
时
，
DUT
的电压基本下降到零
，
而通过
DUT
的净电流是
入射电流的两倍
。
这是短路传输线的预期行为
。
净电流在
DUT
上产生一个很小的电压
，
这个电压是由端口
1
流出电流两倍的阻抗时
间来确定的
。
DUT
上的这个小电压被发射到右侧传输线并传送到端口
2,
由端口
2
的接收
器来测量它
。
S21
的定义是
DUT
流出端口
2
的电压除以
DUT
流入端口
1
人射电压的比值
。
由式
（
3-16
）
得出
：
S
21
Z
dut
X2X3
需
V
transmitted
_
_____________
V
incident
V
incident
_
Z
dut
250
(3-16)