PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第67页
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 …
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)
52
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
值得注意的是
，
当
DUT
的阻抗非常低时
，
测得的
S21
就是
DUT
的阻抗除以
25
。
。
这
基于
500
的端口阻抗
。
测量
S2i
使用的是
DUT
阻抗的直接测量方法
。
我们通过式
(
3-17)
可
简单地得到
DUT
的阻抗
：
Z
dut
=
25
X
S
21
(3-17)
提示
在双端口测量中
，
当
DUT
的阻抗非常小时
，
DUT
的阻抗大小与
S21
的值成正
比
。
S21
的相位与阻抗的相位相同
。
这是一个相当简单的关系
。
请注意
，
S21
表示复数
，
而不是
dB
。
为了在以
dB
表示
S21
时可得到阻抗
，
我们首先将其
转换为幅度
，
然后对其进行缩放
。
通过式
(
3-18)
将以
dB
为单位的
S21
的幅度转换为阻抗
：
Z
dut
=
250
X
S21
=
25
。
X
10
迄箸
(3-
18)
例如
，
如果
Szi
的测量值为一
20dB,
那么阻抗值为
Z=25X10-(
—
20/20)=2.5B
。
当
S21
为-
40dB
时
，
阻抗为
0.25Q
。
当
S21
为-
60dB
时
，
阻抗为
25mQ
。
测量毫欧姆范围内的
阻抗时需要使用
VNA
的全部动态范围
。
上
述公式
是一阶
近似
，
如果
S21
大于约
一
20dB
时
则不应使用
，
因为这违反了
DUT
电阻应远低于
500
的假设
。
我们也可以用
dB
来表示阻抗
，
因为
dB
标度只是代表
两个量
比值的对数
，
这两个量代
表功率
。
但这两个量带来了两个问题
：
“
我们以什么作为参考值
？
”
和
“
我们认为阻抗是电压
还是电源
？
”
当以
dB
为单位表示阻抗时
，
它的表现类似于振幅或幅度
，
而不
是一个
功率
，
因为它
直接与
S
参数中的一个成正比
，
S
参数定义的
是一个
幅度
。
这意味着当以
dB
为单位将阻
抗转换回阻抗(
。
)时
，
我们使用的因数是
20
而不是
10
：
Z[dB[
=
20
X
log([
理)
及
Z[Q]
=
10
噂
(3-19)
式中
，
Z[dB]
是以
dB
为单位的阻抗
；
Z[0]
是以
Q
为单位的阻抗
。
按照惯例
，
当用
dB
表示阻抗时
，
用
1Q
作为参考值
。
当使用
ImW
作为测量功率的参
考尺度时
，
我们将单位定为
dBm
。
同样
，
dBu
是一个
dB
量级
，
与其他功率的参考值相比
较
，
它为
“
W
。
同样
，
我们使用
dB
。
单位来确定以
dB
为单位的欧姆值
。
使用这个方式肯定会减少混
乱
，
但目前还没有采用这个惯例
。
相反
，
我们只以
dB
为单位来表示阻抗
。
提示
如果要以
dB
为单位测量阻抗时将混乱最小化
，
那么请将单位视为
dB
。
，
并记住
阻抗表现为幅度
。
例如
，
OdB
的阻抗是
1
。
、
-20dB
的阻抗是
0.
1
。
、一
60dB
的阻抗是
1m
。
。
当以
dB
为单位描述
Szi
且应用一阶近似时
，
以
dB
为单位描述的
DUT
阻抗大约为
：
Z
dut
[
(
1B]
=
(25fl)
indB
XS
2
i[dBj
=
28dB
+
S
2
iEdBj
(3-20)
其中
，
28dB=20Xlog(25Q)
o
如果测得的
S21
为-
40dB,
则以
dB
为单位的阻抗值为
28dB
-
40dB
=
-
12dB
。
阻抗值