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控制回路稳定性对所有系统的性能都至关重要，因为它会影响所有闭环参数以及系统噪声。遗憾的是，在许多情况下（特别是在基准电压、固定电压 LDO 和集成 POL 的情况下），波特图评估是不可行的，因为没有反馈回路访问该器件。在其他情况下，由于硬件已集成或需要切割印刷电路板 （PCB） 走线，因此很难访问反馈回路。在其他情况下，器件要么包含多个控制回路（其中只有一个是可访问的），要么控制回路的阶数高于二阶，在这种情况下，波特图对相对稳定性的预测性很差。更复杂的是，在许多便携式电子产品（如手机和平板电脑）中，电路非常小且人口密集，几乎不会妨碍对控制回路元件的访问。在这些情况下，非侵入式稳定裕度 （NISM） 评估（源自易于访问的输出阻抗测量）是验证稳定性的唯一方法。

NISM 根据输出阻抗 [1] 计算稳定性。2 端口分流穿透阻抗测量是测量 VRM 在微欧姆和毫欧姆区域的输出阻抗的黄金标准 [2];但是，如果不将 SMA 直接连接到 PCB 或被测器件 （DUT），则并不总是能够进行这些测量。因此，当设计人员使用矢量网络分析仪 （VNA） 进行这些类型的测量时，连接 DUT 的方法需要注意细节，以确保电感和各种误差源最小化，从而实现准确测量。为了充分利用 VNA，您需要使用正确的探头和附件，以确保您的测量成功。使用浏览器探测器（如P2102A 这样的点测探头，您可以快速表征多个 VRM 以确保稳定性，甚至可以在初始供电网络 （PDN） 设计期间检查您的模型是否准确。

Picotest P2102A 2 端口 PDN 传输线探头是一种点式探头，可在尖端实现非常低的电感，以减轻密集 PCB 上的空间限制，同时无需焊接同轴电缆、添加额外的 SMA 连接或阻抗测量所需的其他测试点。当有数十个电源轨需要评估，而没有时间或PCB迭代来为每个电源轨提供测试点实现时，它特别有用。由于只需将尖端接触输出电容器即可进行连接，因此简化了重复测量。该探头带有 4 个探头尖端，可对 PCB 上的各种 SMD 封装进行测量，例如 1206、0805、0603 或 0402。P2102A 探头尖端提供 1X、2X、5X 和 10X 衰减以及 DC Block 选项。这使用户能够灵活地在较宽的电压范围内进行测量。例如，2X 探头可以在没有 DC 块的情况下测量 6Vrms。权衡是衰减会增加阻抗本底。简而言之，这款 2 端口 P2102A 探头最适合在评估 PDN 的同时评估电源的稳定性。另一个好处是，您还可以使用 P2102A 探头进行 VRM、电源平面和去耦测量，同时评估电源的稳定性。

本文的目标是向设计和测试工程师展示如何使用 Picotest 专有的无创稳定裕度 （NISM） 软件，高效、快速地准确捕获 VRM 或电源轨的控制稳定性。本应用指南适用于 Keysight E5061B 和 P2102A 2 端口探头。它还将展示如何将此浏览器探针用作快速 GO/NO-GO 测试器。在本应用说明中，将通过图 1 所示的过程详细测量两个 DUT。

测试设备清单

*注：在本文档中，Picotest LM20143 测试板可能称为 Flat DUT 和 Not Flat （NF） DUT.

测量设置

P2102A-2X 探头尖端包括 50 个 Ω 串联电阻器 （Rs），可以在 E5061B 校准菜单中进行设置/说明。图 5 和图 6 描述了如何将 DUT 连接到带有 E5061B S 参数端口的 2 端口 P2102A 探头。

对于其他 P2102A-#X 探头尖端型号，请按照以下 E5061B VNA 中的 Rs 设置：

P2102A-1X - Rs = 0Ω

P2102A-2X - Rs = 50Ω

P2102A-5X - Rs = 200Ω

P2102A-10X - Rs = 450Ω

使用 Keysight E5061B VNA，P2102A 有两种可能的 2 端口分流直通测量装置，可与 NISM 配合使用。

一种设置包括 Picotest J2102B 共模变压器，连接到 E5061B S 参数端口上的端口 1 和 2，如图 5 所示。此设置所需的测试设备如图 2 所示。

shunt-thru 配置在低频时本身就存在接地环路误差。流过通道 2 接地连接的电缆屏蔽层的电流会引入测量误差，当测量非常低的阻抗值时，该误差在 10 kHz 至 100 MHz 之间的频率上可能会变得很大。为了减少低频下的接地回路误差，请使用接地隔离器或共模变压器（例如 J2102B）或有源隔离器件，例如 J2113A [12]。

另一种测量设置包括 Picotest J2160A 2 端口探头适配器，该适配器连接到 E5061B 上的 T/R 端口低频 VNA BNC 端口，如图 6 所示。此设置所需的测试设备如图 3 所示。

Picotest J2160A 探头适配器在 2 端口分流测量中使用 E5061B T/R 端口时，可提供低噪声、紧凑的解决方案。它将仪器的 3 个 GP 端口转换为执行 2 端口分流直通测量所需的 2 个端口。T/R 端口适用于低频 2 端口测量，因为接收器端口是半浮动的，允许进行低阻抗测量没有使用同轴共模变压器，例如 J2102B。浮动端口允许在非常低的频率和高达 30 MHz 的 T/R 端口范围内进行毫欧姆测量。

2 端口探针用户通常拥有一个探针台;然而，对设置相机、显微镜、校准等的承诺，比有时简单的 VRM 稳定性甚至阻抗测量所需的承诺要大得多。这就是 P2102A 探头在移动中提供了一个很好的选择的地方，如图 7 和图 8 所示。

在进行任何测量之前，应确保使用正确的校准方法对设置进行校准。E5061B VNA 具有多个校准选项，如 E5061B 用户手册的表 4-1 所示。正确的校准至关重要，因为它可以校正接触电阻、尖端电感和耦合。由于 NISM 方法仅查看电源的相位裕量以获得稳定性，因此 Picotest 建议使用 THRU 校准方法以获得准确的 NISM 结果。

图 9 和图 10 描述了每个 DUT 上的探针尖端位置。对于图 9，在测量前移除了 0603 电容器 （C42），然后使用 0603 探头尖端，如图所示;但是，无需移除电容器即可进行此测量。为了便于识别，带有标签的探头侧表示正信号侧。

测量结果

如图 11 和图 14 中的结果所示，使用 Nism 和 E5061B 的 P2102A 点测头，可以精确确定 VRM 的控制回路稳定性。

使用 E5061B 的 P2102A 校准和 NISM 设置检查表

使用 J2102B 共模变压器和 J2160A 2 端口探头适配器进行串联电阻测量，校准分流直通阻抗的测试装置。

使用 E5061B 和 J2102B 共模变压器进行 2 端口校准和 NISM 设置

如图 7 所示，打开 E5061B 通电后，连接电缆进行校准，请按照以下步骤校准测量装置，然后再对被测设备进行测量。

第 1 步：（在 E5061B 上）按 >卡尔）按钮

第 2 步：设置 >, Z0 下指定，设置 > 卢比 通过在 Z0 下指定（如图 15 所示）

*注意：只需为 P2102A-2X、5X、10X 探针指定 Rs。对于 1X 探针，可以忽略此步骤。对于 DC Block，请使用 1X 设置。

第 3 步：选择>校准

第 4 步：选择 >2 端口校准*

第 5 步：选择 >传输

步骤6：根据需要将 Probe 放在校准基板上。参考图 16.

第 7 步：选择>端口 1-2 直通

✔ 将出现在 'Port 1-2 Thru' LSK 旁边

第 8 步：选择 >返回

第 9 步：确保NISM 的。VBA首先将宏复制到分析器的 D：\ 驱动器。

*注意：如果软件是以 zip 文件的形式通过电子邮件发送的，则可能需要解压缩 NISM 文件夹。在某些情况下，由于电子邮件系统限制，可能需要在解压缩之前将 zip 文件从 nism.txt 重命名为 nism.zip。

第 10 步：按 >宏设置按钮

第 11 步：选择 >加载项目

步骤 12 选择>NISM 的。VBA

第 13 步：按 >宏运行按钮

第 14 步：在“模式菜单”弹出窗口中，选择>端口 1 - 端口 2

第 15 步：选择>计算 Q

第 16 步：首先手动将标记 1 定位在走线 1（输出阻抗）上的阻抗峰值处。然后选择 Marker 1 Peak Finder>

第 17 步：手动将标记 2 定位在峰上的迹线 2（有效 Q 波形）上频率最接近阻抗峰值。然后选择 > Marker 2 Peak Finder。

第 18 步：选择>计算 PM

*注意：此测量仅限于大约 71 度或更小的相位裕量。

*注意：如果您更改或重新测量输出阻抗，则需要单击“计算 Q”按钮重新测量阻抗并重新计算有效 Q 波形。

使用 E5061B 和 J2160A 2 端口探头适配器进行 2 端口校准和 NISM 设置

如图 8 所示，打开 E5061B 通电后，连接电缆进行校准，请按照以下步骤校准测量装置，然后再对被测设备进行测量。

第 1 步：（在 E5061B 上）按 >测量按钮

第 2 步：选择 >Impedance Analysis 菜单

第 3 步：选择>方法 端口 1 引用

第 4 步：选择 >GP 分流器 T 50Ω，R 50Ω 

第 5 步：选择 >|Z|

第 6 步：选择 >增益相位设置

第 7 步：设置 >T 输入 Z= 50 Ω

第 8 步：设置 >R 输入 Z= 50 Ω

根据需要设置T 衰减器 & R 衰减器 设置 

第 9 步：按 >卡尔按钮

步骤 10：设置 >, Z0 下指定，设置 > 卢比 通过在 Z0 下指定（如图 15 所示）

*注意：只需为 P2102A-2X、5X、10X 探针指定 Rs。对于 1X 探针，可以忽略此步骤。

第 11 步：选择 >校准

第 12 步：选择 >响应 （Thru）

第 13 步：确保选择端口 > GP 端口* 

步骤14：根据需要将 Probe 放在校准基板上。参考图 16.

第 15 步：选择>通过 

第 16 步：选择 >做

第 17 步：选择 >返回

步骤 18：确保NISM 的。VBA首先将宏复制到分析器的 D：\ 驱动器。

*注意：如果软件是以 zip 文件的形式通过电子邮件发送的，则可能需要解压缩 NISM 文件夹。在某些情况下，由于电子邮件系统限制，可能需要在解压缩之前将 zip 文件从 nism.txt 重命名为 nism.zip。

第 19 步：按 >宏设置按钮

第 20 步：选择 >加载项目

第 21 步 选择 >NISM 的。VBA

第 22 步：按 >宏运行按钮

第 23 步：在“模式菜单”弹出窗口中，选择 >T over R

第 24 步：选择 >计算 Q）

第 25 步：首先在阻抗峰值处手动将标记 1 定位在迹线 1（输出阻抗）上。然后选择 Marker 1 Peak Finder>

步骤 26：手动将标记 2 定位在峰上的迹线 2（有效 Q 波形）上频率最接近阻抗峰值。然后选择 > Marker 2 Peak Finder。

第 27 步：选择 >计算 PM

*注意：此测量仅限于大约 71 度或更小的相位裕量。

*注意：如果您更改或重新测量输出阻抗，则需要单击“计算 Q”按钮重新测量阻抗并重新计算有效 Q 波形。

结论

借助 NISM，2 端口分流直通阻抗方法使工程师能够轻松有效地测量 VRM 的输出阻抗和控制环路增益（相位）稳定性性能。

P2102A 点测探头使您能够非常简单、快速、准确地进行 2 端口阻抗测量，从而更好地设计电源的稳定性并提供快速的 GO/NO-GO 测试。测量阻抗时，我们不仅可以确定 VRM 的稳定性，还可以确定电源分配网络由什么组成。我们甚至可以根据阻抗测量创建高精度的 VRM 模型，包括时域、频域甚至 EMI 相关数据。我们可以判断阻抗的哪些部分基于控制环路性能，哪些部分基于印刷电路板和/或去耦性能。

如果您真的想测量平面或高频阻抗，P2104A 1 端口探头 [13] 可能是更好的选择。

如本文档所示，要使用 NISM 通过带有 P2102A 点测探头的 E5061B VNA 进行低阻抗测量：

• 必须拥有正确的（低电感）探头、高质量的电缆以及共模变压器 （J2102B） 或 2 端口探头适配器 （J2160A）。

• 您必须正确校准您的设置，因为这对于实现高保真测量和消除测试设置误差源至关重要。

• 需要一致、可重复的接触电阻，以施加一致的尖端压力。这可以使用如图所示的 N2787A 探头支架、ClampMan [14] 或 PacketMicro 的探头支架之一 [15] 来完成。

引用

1. 美国国家标准研究院

2. 使用 2 端口分流直通的超低阻抗（100 微欧姆及更低）测量

3. Keyisght E5061B 矢量网络分析仪

4. Picotest P2102A - 2 端口 PDN 传输线探头

5. Picotest J2102B-N - 共模互感器

6. 用于 E5061B 的 Picotest J2160A 2 端口探头适配器面板

7. Picotest PDN 电缆®

8. Pasternack PE9002 - N 公头转 BNC 母头适配器

9. Picotest 3DPP-200 探头支架套件 |Signal Edge 解决方案

10. DUT - Picotest LM20143

11. DUT - Infineon PS5401 评估版

12. J2113A 半浮动差分放大器

13. Picotest P2104A 1 端口探头

14. ClampMan PCB 支架和夹紧解决方案

15. PacketMicro TP150 精密定位器