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混合信号电子系统将模拟电路与高速数字逻辑结合，可能使电轨扰动耦合到灵敏的模拟测量中。常见异常包括模拟到数字（ADC）输出杂散、传感器读数漂移和定时电路抖动。为解决这些问题，工程师必须确定干扰源自信号路径还是通过电源轨耦合的噪声。

本文探讨了关键的混合信号应用，突出信号路径故障与轨道驱动噪声源之间的区别。它还回顾了工程师用来区分误差源的主要诊断技术，从标准台式仪器和受控测量到隔离误差源的相关方法。

混合信号系统中的轨道噪声效应分析

精密、低噪声和时序敏感的应用要求工程师确定模拟问题是源自信号路径还是电源轨道上的干扰。音频、视频和传感器处理系统尤其敏感，即使是微小的轨道扰动也可能产生异常，扭曲下游测量。

高分辨率ADC、数模转换器（DAC）和三角差转换器在供波——由稳压器或市电源引入的周期性电压变化——耦合到模拟磁芯或参考电路时，会失去有效分辨率和无杂叶动态范围。

即使是适度的轨道噪声，即依赖标称直流电源的宽带或瞬态变化，也可能通过基本直流测量无法检测到，如图1所示。尽管振幅较低，噪声仍可能将16位或18位转换器的性能降至12位有效水平。

图1。电源轨测量显示低频纹波和高频宽带噪声依赖于标称直流电源，说明小扰动如何降低变换器分辨率并降低时序性能。（图片来源：泰克特罗尼克斯)

工程师们在射频（RF）和定时电路方面也遇到类似挑战。锁相环、电压控制振荡器和低抖动时钟发生器将供电噪声直接转换为相位噪声和时序抖动。在高速串行链路、SERDES接口和精密仪器中，工程师必须确定支线是来自电力配电网络，还是模拟链或射频链。

混合信号系统单片和集成模拟电路的高速数字板增加了复杂性。由于功率完整性直接影响信号完整性和位错误率，工程师必须在选择有效的缓解策略前，区分轨道驱动行为与终端、布线或均衡问题。清晰区分信号路径与电源轨有助于指导分析。

定义信号路径和电源轨

如图2所示，模拟信号路径涵盖了设计用于捕获和传输信息的电路，从传感器和抗锯齿滤波器到放大器、ADC以及互连PCB线路。典型的模拟路径问题包括分量噪声、偏移漂移、带宽限制以及信号链中的不稳定性。

图2。简化的模拟信号链展示了传感器、滤波器、放大器和ADC在转换前如何处理模拟信息，突出引入噪声、漂移和带宽限制的关键因素。（图片来源：Mouser)

电源轨噪声指的是直流电源线路上意外的电压变化。波纹指的是开关频率或市电频率的周期性变化，而宽带噪声则包括更高频率、更随机的波动。这些干扰源自整流、开关稳压器、负载瞬态、配电网络共振以及外部干扰。

即使是微小的轨道扰动，也可以通过有限电源抑制、共享地阻抗和参考耦合来调制信号路径。这些异常表现为信号流、漂移或抖动，尽管信号源自电源，却模拟信号路径问题。

执行初步诊断步骤

由于这些效应通常类似于真实的信号路径故障，工程师应从区分两个信号域的测量开始。如图3所示，他们可以通过执行以下一项或多项检查来缩小故障域范围：

图3。一个低电感示波器的探针尖带有短地弹簧，连接在集成电路上的局部解耦电容上，从而实现对电源纹波和瞬态尖峰的精确测量。（图片来源：Stack Exchange)

• 探测电源针脚：直接使用短地弹簧或本地解耦电容上的同轴连接测量集成电路（IC）的电源。对示波器通道进行交流耦合，并施加带宽限制，以避免在电路工作范围外捕获噪声。与异常现象相关的波动或尖峰表明轨道存在问题。

• 检查参考引脚噪声：用与供电引脚相同的测量标准评估ADC参考、运算放大器参考输入和传感器激励轨。这些节点通常需要比主供电轨道更低的噪声，干扰会以输入噪声的形式出现。

• 模拟行为与系统活动相关：将监控的模拟节点与数字时钟、总线信号或开关调节波形并列显示。与数字边缘匹配的噪声表明是功率分配或接地耦合机制。使用示波器、快速傅里叶变换（FFT）或频谱分析仪比较模拟与轨道频谱。带有跟踪幅度的共享音调指向轨道耦合。

系统测量技术的实施

如果初步观测显示电源轨存在，工程师会进行受控实验以验证假设。如图4所示，走线布线、布线和电源平面连接的变化会改变供电路径的阻抗。这些差异会影响轨道扰动如何耦合到被测器件。工程师通过受控测量评估这种行为，包括：

图4。PCB布局的变化展示了走线布线、通过布置和电源平面连接如何改变器件的供电路径。这些几何差异改变了轨道阻抗，并影响轨道扰动的传播方式。（图片来源：Analog Devices)

• 替代轨道：通过干净的台式电源或电池供电模拟部分，可选择通过RC或LC滤波器，同时保持系统其余部分不变。如果异常消失或改善，原有的配电网络就会被牵连。如果问题持续存在，故障很可能存在于信号路径、接地或外部干扰。

• 添加临时局部滤波：在噪声IC的电源引脚附近放置一个低ESR电容、小型LC滤波器或铁氧体珠，观察模拟异常是否减少。比例降低表示轨道噪声，而无变化则指向信号路径故障。

• 注入受控波纹：利用函数发生器和耦合网络，在测试频率上叠加一个小正弦波到疑似轨道上。测量模拟输出中出现的音调比例。线性传输表示电源-拒绝比（PSRR）的有限耦合。将测量到的传输数据与设备的PSRR数据表进行比较，以判断行为是否符合预期的限制。

• 调制负载：通过改变处理器状态、空闲总线或改变开关调节器占空比来改变数字子系统活动。追踪负载诱导的轨道变化的模拟异常起源于电力配电网络。随增益、带宽或源阻抗变化而非轨道行为变化的异常，表明信号路径或稳定性存在问题。

利用仪器进行高级分析

在确认电源轨是模拟异常的根本原因后，工程师利用先进仪器精确定位特定的耦合路径和噪声行为，如图5所示。

图5。像Keysight的Infiniium V系列这样的高带宽、低噪声实时示波器，具备捕捉轨道诱导扰动、解析边缘相关伪影以及分析混合信号系统中频域耦合行为所需的分辨率和分析能力。（图片来源：Keysight Technologies)

高带宽数字示波器提供所需的时域分辨率，以区分相对于小的模拟变异的快速数字伪影。实时示波器捕捉与数字活动相关的边缘相关故障和时序抖动，同时识别较慢的模拟漂移。具有更高垂直分辨率和低噪声底的高分辨率示波器，可以增强快速数字转换中出现的微小模拟变化的可见度。

专用的电源轨探头提供了所需的偏置范围和低噪声，能够在电压级轨道上观察毫伏级纹波，同时避免示波器输入过载。这些探头能够观察模拟供电轨上的开关特征，并使工程师能够将本地模拟振铃与耦合的数字边缘区分开来。

频谱分析仪或信号分析仪通过解析时钟频率、数据率和谐波频率下的离散音调来补充示波器。高动态范围和窄分辨率带宽能揭示开关调节器的弱杂散，这些杂散可能埋藏在示波器噪声底中。并排比较轨道谱和信号谱可识别共享的频率成分并确认耦合机制。

为了更详细的耦合分析，矢量网络分析仪（VNAs）测量疑似攻击者与受害者结构之间的S参数。这些仪器量化跨频率的能量传递，帮助定位场、并联走线或共享回波阻抗中的耦合路径。

摘要

区分电源引发的模拟问题与真实信号路径故障需要在受控条件下系统测量。直接轨道测量、轨道替换、波纹注入和负载调制测试确认是轨道还是信号链驱动异常。

先进的仪器，如带低电感探测的示波器、电源轨探头和频谱分析能力，为准确诊断提供了所需的可见性。通过识别哪些测量数据追踪异常，工程师可以及早找出根本原因，避免无效修复或不必要的电路板修正。

关键词： 电源噪声 模拟