混合信號電子系統將模擬電路與高速數字邏輯結合，可能使電軌擾動耦合到靈敏的模擬測量中。常見異常包括模擬到數字（ADC）輸出雜散、傳感器讀數漂移和定時電路抖動。為解決這些問題，工程師必須確定干擾源自信號路徑還是通過電源軌耦合的噪聲。

本文探討了關鍵的混合信號應用，突出信號路徑故障與軌道驅動噪聲源之間的區別。它還回顧了工程師用來區分誤差源的主要診斷技術，從標準臺式儀器和受控測量到隔離誤差源的相關方法。

混合信號系統中的軌道噪聲效應分析

精密、低噪聲和時序敏感的應用要求工程師確定模擬問題是源自信號路徑還是電源軌道上的干擾。音頻、視頻和傳感器處理系統尤其敏感，即使是微小的軌道擾動也可能產生異常，扭曲下游測量。

高分辨率ADC、數模轉換器（DAC）和三角差轉換器在供波——由穩壓器或市電源引入的周期性電壓變化——耦合到模擬磁芯或參考電路時，會失去有效分辨率和無雜葉動態范圍。

即使是適度的軌道噪聲，即依賴標稱直流電源的寬帶或瞬態變化，也可能通過基本直流測量無法檢測到，如圖1所示。盡管振幅較低，噪聲仍可能將16位或18位轉換器的性能降至12位有效水平。

圖1。電源軌測量顯示低頻紋波和高頻寬帶噪聲依賴于標稱直流電源，說明小擾動如何降低變換器分辨率并降低時序性能。（圖片來源：泰克特羅尼克斯)

工程師們在射頻（RF）和定時電路方面也遇到類似挑戰。鎖相環、電壓控制振蕩器和低抖動時鐘發生器將供電噪聲直接轉換為相位噪聲和時序抖動。在高速串行鏈路、SERDES接口和精密儀器中，工程師必須確定支線是來自電力配電網絡，還是模擬鏈或射頻鏈。

混合信號系統單片和集成模擬電路的高速數字板增加了復雜性。由于功率完整性直接影響信號完整性和位錯誤率，工程師必須在選擇有效的緩解策略前，區分軌道驅動行為與終端、布線或均衡問題。清晰區分信號路徑與電源軌有助于指導分析。

定義信號路徑和電源軌

如圖2所示，模擬信號路徑涵蓋了設計用于捕獲和傳輸信息的電路，從傳感器和抗鋸齒濾波器到放大器、ADC以及互連PCB線路。典型的模擬路徑問題包括分量噪聲、偏移漂移、帶寬限制以及信號鏈中的不穩定性。

圖2。簡化的模擬信號鏈展示了傳感器、濾波器、放大器和ADC在轉換前如何處理模擬信息，突出引入噪聲、漂移和帶寬限制的關鍵因素。（圖片來源：Mouser)

電源軌噪聲指的是直流電源線路上意外的電壓變化。波紋指的是開關頻率或市電頻率的周期性變化，而寬帶噪聲則包括更高頻率、更隨機的波動。這些干擾源自整流、開關穩壓器、負載瞬態、配電網絡共振以及外部干擾。

即使是微小的軌道擾動，也可以通過有限電源抑制、共享地阻抗和參考耦合來調制信號路徑。這些異常表現為信號流、漂移或抖動，盡管信號源自電源，卻模擬信號路徑問題。

執行初步診斷步驟

由于這些效應通常類似于真實的信號路徑故障，工程師應從區分兩個信號域的測量開始。如圖3所示，他們可以通過執行以下一項或多項檢查來縮小故障域范圍：

圖3。一個低電感示波器的探針尖帶有短地彈簧，連接在集成電路上的局部解耦電容上，從而實現對電源紋波和瞬態尖峰的精確測量。（圖片來源：Stack Exchange)

• 探測電源針腳：直接使用短地彈簧或本地解耦電容上的同軸連接測量集成電路（IC）的電源。對示波器通道進行交流耦合，并施加帶寬限制，以避免在電路工作范圍外捕獲噪聲。與異常現象相關的波動或尖峰表明軌道存在問題。

• 檢查參考引腳噪聲：用與供電引腳相同的測量標準評估ADC參考、運算放大器參考輸入和傳感器激勵軌。這些節點通常需要比主供電軌道更低的噪聲，干擾會以輸入噪聲的形式出現。

• 模擬行為與系統活動相關：將監控的模擬節點與數字時鐘、總線信號或開關調節波形并列顯示。與數字邊緣匹配的噪聲表明是功率分配或接地耦合機制。使用示波器、快速傅里葉變換（FFT）或頻譜分析儀比較模擬與軌道頻譜。帶有跟蹤幅度的共享音調指向軌道耦合。

系統測量技術的實施

如果初步觀測顯示電源軌存在，工程師會進行受控實驗以驗證假設。如圖4所示，走線布線、布線和電源平面連接的變化會改變供電路徑的阻抗。這些差異會影響軌道擾動如何耦合到被測器件。工程師通過受控測量評估這種行為，包括：

圖4。PCB布局的變化展示了走線布線、通過布置和電源平面連接如何改變器件的供電路徑。這些幾何差異改變了軌道阻抗，并影響軌道擾動的傳播方式。（圖片來源：Analog Devices)

• 替代軌道：通過干凈的臺式電源或電池供電模擬部分，可選擇通過RC或LC濾波器，同時保持系統其余部分不變。如果異常消失或改善，原有的配電網絡就會被牽連。如果問題持續存在，故障很可能存在于信號路徑、接地或外部干擾。

• 添加臨時局部濾波：在噪聲IC的電源引腳附近放置一個低ESR電容、小型LC濾波器或鐵氧體珠，觀察模擬異常是否減少。比例降低表示軌道噪聲，而無變化則指向信號路徑故障。

• 注入受控波紋：利用函數發生器和耦合網絡，在測試頻率上疊加一個小正弦波到疑似軌道上。測量模擬輸出中出現的音調比例。線性傳輸表示電源-拒絕比（PSRR）的有限耦合。將測量到的傳輸數據與設備的PSRR數據表進行比較，以判斷行為是否符合預期的限制。

• 調制負載：通過改變處理器狀態、空閑總線或改變開關調節器占空比來改變數字子系統活動。追蹤負載誘導的軌道變化的模擬異常起源于電力配電網絡。隨增益、帶寬或源阻抗變化而非軌道行為變化的異常，表明信號路徑或穩定性存在問題。

利用儀器進行高級分析

在確認電源軌是模擬異常的根本原因后，工程師利用先進儀器精確定位特定的耦合路徑和噪聲行為，如圖5所示。

圖5。像Keysight的Infiniium V系列這樣的高帶寬、低噪聲實時示波器，具備捕捉軌道誘導擾動、解析邊緣相關偽影以及分析混合信號系統中頻域耦合行為所需的分辨率和分析能力。（圖片來源：Keysight Technologies)

高帶寬數字示波器提供所需的時域分辨率，以區分相對于小的模擬變異的快速數字偽影。實時示波器捕捉與數字活動相關的邊緣相關故障和時序抖動，同時識別較慢的模擬漂移。具有更高垂直分辨率和低噪聲底的高分辨率示波器，可以增強快速數字轉換中出現的微小模擬變化的可見度。

專用的電源軌探頭提供了所需的偏置范圍和低噪聲，能夠在電壓級軌道上觀察毫伏級紋波，同時避免示波器輸入過載。這些探頭能夠觀察模擬供電軌上的開關特征，并使工程師能夠將本地模擬振鈴與耦合的數字邊緣區分開來。

頻譜分析儀或信號分析儀通過解析時鐘頻率、數據率和諧波頻率下的離散音調來補充示波器。高動態范圍和窄分辨率帶寬能揭示開關調節器的弱雜散，這些雜散可能埋藏在示波器噪聲底中。并排比較軌道譜和信號譜可識別共享的頻率成分并確認耦合機制。

為了更詳細的耦合分析，矢量網絡分析儀（VNAs）測量疑似攻擊者與受害者結構之間的S參數。這些儀器量化跨頻率的能量傳遞，幫助定位場、并聯走線或共享回波阻抗中的耦合路徑。

摘要

區分電源引發的模擬問題與真實信號路徑故障需要在受控條件下系統測量。直接軌道測量、軌道替換、波紋注入和負載調制測試確認是軌道還是信號鏈驅動異常。

先進的儀器，如帶低電感探測的示波器、電源軌探頭和頻譜分析能力，為準確診斷提供了所需的可見性。通過識別哪些測量數據追蹤異常，工程師可以及早找出根本原因，避免無效修復或不必要的電路板修正。