Mit einer einfachen Probe-basierten Lösung können Sie die PDN-Online-Empfindlichkeit schnell identifizieren, einschließlich der Position der Takt-Jitter-Quelle.
Das Rauschen von Stromverteilungsnetzen (PDN) ist eines der häufigsten Probleme bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Unabhängig davon, ob Sie ADCs, Taktgeber, LNAs, digitale Datennetzwerke oder empfindliche HF-Anwendungen mit Strom versorgen, ist die richtige Einstellung der Stromversorgung von entscheidender Bedeutung. Diese empfindlichen Schaltungen können durch Stromversorgungsrauschen von einigen Millivolt oder weniger gestört werden. Aufgrund dieser extremen Empfindlichkeit und des Zusammenspiels zwischen Stromversorgung, Verteilungsnetz und Last ist häufig eine Fehlersuche an der Stromversorgung erforderlich.
Aufgrund der Wechselwirkung zwischen Quellimpedanz und Lastimpedanz muss die Fehlersuche im Schaltung, und der physische Zugang ist normalerweise sehr eingeschränkt. Dies kann daher ein zeitaufwändiger Prozess sein.
Auch bei scheinbar voll funktionsfähigen Schaltungen wird meist die Empfindlichkeit des Netzteils bewertet. Dies ist der beste Weg, um potenzielle Probleme zu identifizieren, die aufgrund des Betriebs und der Umweltverträglichkeit auftreten können.
In dieser Beispielanwendung zeigen wir einige einfache Testwerkzeuge, die in Verbindung mit Ihrem Spektrum- und Netzwerkanalysator verwendet werden, um die Untersuchung von Rauschquellen von Netzteilen zu unterstützen.
Abbildung 1 zeigt das Picotest VRTS3-Trainings-Demoboard, das eine Vielzahl von Beispielschaltungen enthält, um mehrere Arten von Messungen zu unterstützen.
Abbildung 1: Picotest VRTS3-Trainings-Demoboard, das das LDO- und Clock-Layout zeigt.
Eine dieser Beispielschaltungen ist ein 125-MHz-Takt (OSC401), der von einem Low-Dropout (LDO) gespeist wird. Regler (U301). Mit dem DIP-Schalter mit vier Positionen (S301) können vier verschiedene Ausgänge verbunden oder getrennt werden Kondensatoren mit dem LDO, um die Stabilität der Stromversorgung zu ändern.
Das schematische Schaltbild in Abbildung 2 zeigt den LDO-Linearregler (LT1086), der den 125-MHz-Taktoszillator OSC401 über einen Schiebeschalter (SEL1) mit Strom versorgt. Es ist erwähnenswert, dass die Entkopplung 0.01 uF beträgt Kondensator C402 (rechts).
Abbildung 2: LDO- und Clock-Schaltung
Durch die Verwendung eines breitbandigen harmonischen Kammgenerators und einer passiven 1-Port-Übertragungsleitungssonde kann die Rauschempfindlichkeit der Stromversorgung schnell und einfach identifiziert werden.
Der harmonische Kamm J2150A bietet eine Breitband-Rauschquelle mit einer Ausgangsimpedanz von 50 . Es ist in einer ultra-portablen USB-„Stick“-Form enthalten. Harmonische Kämme liefern Rauschen im Frequenzbereich von 1kHz bis über 1GHz in drei Frequenzbereichen. Der Bereich liegt zentriert bei 1kHz, 100kHz und 8MHz. Oberschwingungen werden durch den Zeit- und Frequenzjitter des Ausgangsimpulses erzeugt. Der Kamm kann diese Bereiche automatisch überspannen oder in einem einzelnen Frequenzbereich arretieren. Obwohl die meisten Instrumente über mehrere ungenutzte USB-Anschlüsse verfügen, kann der Kamm auch mit einem gängigen Handy-Backup-Akku betrieben werden, um eine tragbare Lösung zu bieten.
Ein Breitband-Gleichstrom Modulen wird normalerweise zwischen dem Kamminjektor und der Sonde eingefügt, um die 50-Ω-Gleichstromimpedanz vom zu prüfenden Stromkreis zu isolieren. Das Taktspektrum kann auf einem Oszilloskop mit optionalem Spektrumanalysator, Signalquellenanalysator oder Spektrumanalysator betrachtet werden. Die Stabilität und verteilte Impedanz des Spannung Regler leicht als Seitenbänder oder Jitter im Taktspektrum zu erkennen.
Abbildung 3: Dieses Oszilloskop-Spektrogramm zeigt die Taktspur bei ca. 6 MHz. Diese Verzweigungen werden verwendet, um eine einfache und schnelle Fehlerbehebungstechnik zu demonstrieren.
Die Übertragungsleitungssonde Picotest ist einzigartig. Es kann eine Einheitsverstärkung und eine Zwei-Wege-50-Ω-Verbindung für verschiedene Instrumente über eine Vielzahl komfortabler Browser-Sonden bereitstellen, um Stromverteilungsnetze zu erkennen. Wie in diesem Beispiel gezeigt, ermöglicht dies die Verwendung der Sonde zum Einspeisen des Signals oder die Verwendung derselben Sonde zum Messen von Rauschen. Der Sondenanschluss ist ein universeller 50Ω SMA-Stecker, der an die meisten Instrumente angeschlossen werden kann.
In diesem Beispiel verwendet die harmonische Kammstruktur eine 1-Port-Sonde, um Breitbandsignale in die Entkopplungskappe (C402) der Uhr einzuspeisen, wie in Abbildung 4 gezeigt. Überwachen Sie das Frequenzspektrum der Uhr am SMA-Anschluss J3.
Abbildung 4: Einfaches, aber effektives Tool unterstützt PDN-Abfrage und Clock-Jitter-Auswertung. Es umfasst einen J2150A-Breitbandsignalgenerator mit harmonischem Kamm (links) und einen bidirektionalen passiven 1-Ω-Tastkopf mit 2 Port (Mitte) und 50 Ports sowie einen DC-Isolator (links).
Beim Verschieben des Rauschinjektionspunkts zum Linearregler (wie bei der Leiterbahn auf der Leiterplatte, aber stromabwärts des Taktgebers) haben wir festgestellt, dass das Seitenbandrauschen des Taktgebers bei -45 dBc in Abbildung 7 viel kleiner ist. Diese Information sagt uns, dass sich der Resonator zwischen dem Regler und der Uhr befindet. Die Resonanz umfasst die Induktivität der Leiterbahnen der Leiterplatte und des Entkopplungskondensators C402.
Abbildung 5: Der harmonische Kamm J2150A (der Einschub in Abbildung 3) ist über den P1A DC-Blocker mit dem 2130-Port-Tastkopf verbunden und wird verwendet, um das Signal in den C402 (die VDD des 125-MHz-Taktoszillators) einzuspeisen. Beobachten Sie das Taktspektrum am SMA-Anschluss J3.
Positionieren wir die Resonanz auf der Uhr, können wir aus dem Wert des Entkopplungskondensators (10 nF) und der 7.5 MHz Resonanzfrequenz (7.5 MHz) den Wellenwiderstand der Leiterplattenverbindung berechnen. Der Wellenwiderstand kann als 1/(2 * PI * 7.5 MHz * 10 nF) berechnet werden, was in diesem Fall 2.1 beträgt. Wenn Sie den Schalter SEL1 in die mittlere Position (OFF) bringen, wird ein 2.4Ω . eingefügt Widerstand (R305) zwischen Linearregler und Taktgeber, um Resonanzen zu unterdrücken. Wie in Abbildung 8 gezeigt, werden die Seitenbänder des 7-MHz-Taktspektrums eliminiert, was zeigt, dass Resonanzen effektiv unterdrückt werden können, indem der Serienwiderstand zwischen dem Linearregler und dem Takt erhöht wird.
Abbildung 6: Die PDN-Abfrage unter Verwendung des Kammsuchmuster-Signalsatzes zeigt eine Resonanz von ungefähr 7.5 MHz, wie sie in den spektralen Seitenbändern um die Grundfrequenz der Uhr zu sehen ist. Beachten Sie, dass der Spitzenwert ungefähr -30 dBc beträgt.
Durch die Verwendung eines Vektornetzwerkanalysators (VNA) zur Messung der Impedanz des Entkopplungskondensators der Uhr können Resonanz- und Dämpfungseffekte leicht bestätigt werden. Abbildung 9 zeigt die Messergebnisse von zwei verschiedenen Ausgangskondensatoren des Linearreglers und die Einfügung von R305.
Abbildung 7: Durch die Einkopplung von Rauschen an verschiedenen Stellen innerhalb des PDN kann die Rauschquelle schnell lokalisiert werden. Beachten Sie, dass das Seitenband etwa 15 dB niedriger ist als in Abbildung 6. Dies sagt uns, dass die Resonanz am Taktgeber und nicht am Regler auftritt.
Obwohl die Seitenbänder nicht so schwerwiegend erscheinen, können sie die Leistung erheblich beeinträchtigen, weit stärker als andere Aspekte. Beachten Sie zunächst, dass das Seitenband in Abbildung 3 bei 6 MHz erscheint und wir festgestellt haben, dass die PCB-Resonanz bei 7.5 MHz liegt. Zweitens zeigen die Messergebnisse in Abbildung 9, dass die Impedanz bei 6 MHz etwa 5 dB niedriger ist als die Impedanz bei der 7.5-MHz-Spitze, und bei 9 MHz ist die Impedanz etwa 15 dB niedriger als die Impedanz bei der 7.5-MHz-Spitze .
Abbildung 8: Das 7-MHz-Taktseitenband wird eliminiert, indem ein Vorwiderstand zwischen Regler und Takt eingefügt wird, wodurch die Leiterplattenresonanz unterdrückt wird.
Also, was hat die Resonanz inspiriert? Ein 2.8-MHz-Schaltpunktlastregler (POL) ist ebenfalls auf dem VRTS3-Demoboard vorhanden. Die zweite und dritte Harmonische liegen nahe genug an der Resonanzspitze, um Taktrauschen zu erzeugen. Als Rauschgenerator können wir die POL-Schaltfrequenz ermitteln, da hierfür auf dem VRTS3-Trainingsboard ein Enable-Schalter enthalten ist. Wenn der Schaltregler ausgeschaltet wird, verschwindet das 6-MHz-Taktseitenband. Dies erklärt auch deutlich, warum wir nach der Schaltung fragen, obwohl die Schaltung anscheinend ordnungsgemäß funktioniert.
Abbildung 9: In zwei verschiedenen Ausgangskondensatoren des Linearreglers (ausgewählt durch Schalter S301) ist die 7.5 MHz Resonanz (rote, blaue Kurve) deutlich zu erkennen. Das Einfügen eines 2.4-Ω-Widerstands kann Resonanzen (grüne Kurve) unterdrücken, wodurch die Impedanz bei 7.5 MHz um etwa 15 dB reduziert wird.
Die Betriebsfrequenz des Schaltreglers hat eine Toleranz von 750 kHz und der Entkopplungskondensator hat ebenfalls eine Toleranz. Diese Toleranzen können die zweite Harmonische des Schaltreglers leicht auf die Frequenz verschieben, die zufällig an der Impedanzspitze auftritt, wodurch das Taktrauschen erheblich erhöht wird. Obwohl Sie diese Frequenzanpassung im Nenntest wahrscheinlich nicht sehen werden, ist es wahrscheinlicher, dass Sie durch diese PDN-Abfrage mehr über ihre Frequenzanpassung erfahren.
Alles in allem haben wir schnell die PDN-Empfindlichkeit ermittelt, was zu einem Anstieg des Clock-Jitters führte. Wir haben das Rauschen bestimmt, die Rauschquelle und den Wellenwiderstand bestimmt und das Problem einfach behoben, indem wir die Stromschienenimpedanz beim Takt abgeflacht haben. Mit einem tragbaren harmonischen Kammgenerator (Picotest J2150A), einem tragbaren 1-Port-Tastkopf (Picotest P2100A) und einem Oszilloskop (Keysight Infiniium S) können alle Vorgänge in wenigen Minuten abgeschlossen werden.
Picotest bietet eine Vielzahl von gebündelten Lösungen zum Optimieren, Testen und Beheben von Problemen mit der Leistungsintegrität, wie z. B. Taktjitter, und unterstützt verschiedene Instrumente und Messdomänen. Der kürzlich eingeführte harmonische Kammgenerator J2150A wird in Verbindung mit dem P2100A 1-Port-Tastkopf verwendet. Obwohl es mächtig ist, ist es nur eine Lösung.