地弹测试详解

admin 发表于 2018-09-14 21:53

地弹会使数字I/ O线路出现误码,并且发现其原因,要花费非常多的时间和精力,但是有一个技巧可以让分析变得更容易:使用quiet-lowI / O驱动器作为感应线来揭示系统中地弹的存在和幅度大小。

正如我们在上一篇关于该主题的文章中所讨论的,当多个I/ O驱动器共享共同的Vdd和Vss并且返回路径不是宽的均匀平面时,会发生地弹,导致返回路径中的总电感更高。反过来,该电感会在公共引线的两端产生电压差,其极性取决于驱动器在任何给定时间是从高电平切换为低电平还是从低电平切换为低电平。

图1显示的是I /O驱动器的简单原理图,通常,I/ O驱动器是具有p沟道和n沟道结的CMOS器件,用于驱动I/ O线。我们将此驱动器的输出固定在低逻辑状态,为此,打开输出中的n沟道栅极并关闭p沟道栅极,我们通过低阻抗连接线将驱动器的输出直接连接到芯片上的Vss。

图1 将I / O驱动器配置为quiet-low,其输出直接连接到芯片上的Vss

重要的是要记住,从信号完整性的角度来看,虽然我们倾向于将这些电路中的互连视为简单的“电线”,但它们实际上具有电气特性。特别是芯片和主PCB之间的微小返回路径具有很大的电感。但是,一旦这些信号线的返回电流到达电路板中的地平面焊球,到信号传输线的路径将具有非常低的电感,一旦信号进入板级传输线,信号及其返回路径就在均匀的传输线上传播。这使得我们可以使用quiet-lowI / O驱动器发现芯片上的Vss与PCB上的Vss分别发生了什么。

所以关键在于使用其中一个I/ O输出作为连接到芯片Vss轨道作为感测线,还可以通过反向操作将另一个I/ O驱动器做为芯片上Vdd(或Vcc)轨的quiet-high感测线,即关闭n沟道栅极并打开p沟道栅极,这样输出直接连接到Vdd。然后,该输出可以告诉我们芯片Vdd轨道发生了什么。

让我们来看看在微控制器上时如何实现这种quiet-lowI / O小技巧的(图2),待测物ArduinoMCU原理图如图2所示,它已经改装过,因此所有I/ O只共享一个Vcc和Vss连接。此外,Vdd或核心逻辑电源共享相同的轨道,因此,通过对其中一个输出使用quiet-high电平,我们不仅可以感知作为I/ O环路的电源Vcc,还可以感知核心逻辑电源Vdd。

图2 Arduino MCU原理图

因此,quiet-high感测线让我们可以监控芯片上Vdd轨道发生的情况,即使它出现在PCB上的一条quiet-high传输线上,我们在板上连接了同轴电缆,将信号连接到示波器上。同时,一个quiet-lowI / O驱动器检测到芯片Vss轨道上通过芯片封装引线电感和电阻的噪声,从而可以与板级地进行比较。

出于演示目的,一个I/ O驱动器用作与其他驱动器同时切换的触发器,为确保触发I/ O不会消耗大量电流,该路径中有一个450Ω串联电阻。从那里,使用高带宽电缆将信号直接馈送到50Ω示波器输入,总共500Ω的两个电阻从I/ O环路中仅消耗大约10mA电流,因此触发I/ O自身将产生最小的地弹。为了评估切换I/ O的实际地弹,我们将首先触发一个I/ O,然后同时触发两个I/ O.

我们已经组装了ArduinoMCU作为我们的DUT。我们使用的测试设备是力科WaveProHD示波器和RP4030有源电源轨探头,这一组合将揭示DUT对地弹敏感性的大量细节,同时避开测量电源轨的常见挑战。MCU将产生一个触发脉冲,启动一系列三输出脉冲模式:第一个没有I/ O切换,第二个具有一个I/ O切换,第三个具有两个I/ O切换。让我们先看看触发脉冲。在图4中,示波器通道1就是触发信号,写入控制MCU的代码,使触发脉冲的宽度为一个时钟周期,MCU运行时钟为16MHz,因此时钟周期1/(16MHz)约为60ns,时基设置为100ns / div,脉冲宽度看起来正确。测量到的宽度为63ns。触发脉冲的10%-90%上升时间为3.2ns。下降时间约为6ns。

图3 测试配置:WavePro HD高精度示波器和RP4030电源探头

图4 来自MCU的触发脉冲宽度为一个时钟周期

接下来,打开示波器通道2,用来采集I /O切换时的quiet-low线信号,设置Ch1上升沿作为触发,图5显示了Ch1上的触发脉冲以及Ch2上的quiet-low线的地弹(品红色信号),可以看到,没有发生大量的地弹,主要是因为I/ O的负载不是很大。所有这一切都只是为了一点电缆电容充电,如果电阻负载较低(阻抗较低),则Ch2上会有更多的开关电流和更多的地弹。

图5 通过一次I / O切换在quiet-low线上测得的Vss噪声很低

在第三个触发脉冲,两个I/ O都会切换,并产生更多的地弹,Δi/Δt在地线上产生电压噪声(图6),当从低电平切换为高电平时,在地线上产生负电压,从高到低切换时的正脉冲和从低到高切换时的负脉冲都是地线上的地弹脉冲。

图6 当两个I / O驱动器同时切换时,地弹更加明显

但是,请注意,触发脉冲发生前,quiet-low线上的噪声,因为芯片上的Vss由I / O和核心逻辑共享。即使没有发生触发,MCU处于“空闲”状态,但它实际做了很多事情,例如运行看门狗定时器,进行自检和其他逻辑操作。这些中的每一个都意味着PDN电流流过Vss引脚,流入电路板的接地层,最终流向稳压器。

相同的测量技术也可以应用于quiet-high线,来检测Vdd轨道,如果使用另一个RP4030有源电源轨探头,将会看到当Vss弹起时,Vdd/ Vcc会下降。两条轨道都陷入了一种被称为电压轨道塌陷的坍塌,当让PDN从高流向低流时,Vdd和Vss之间的电压差减小。

建议使用有源探头进行这些测量,以使探头负载不会下拉电压轨,理想情况下,探头应在低频时提供高带宽、高阻抗,并且能够处理高偏置以查看小电压。

力科WavePro HD高精度示波器和RP4030电源完整性探头提供了高分辨率和高带宽的最佳组合,提供了验证调试片上和系统PDN行为的各个方面的能力 。

·       高带宽可精确表征高速芯片上的效应,如地弹

·       高动态范围和0.5%的增益精度,可以完全保证敏感测量的可靠性,如轨道塌陷特性

·       异常低的本底噪声有助于提取和识别最细微的PDN干扰信号

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