Con una solución sencilla basada en sondas, puede identificar rápidamente la sensibilidad en línea de la PDN, incluida la ubicación de la fuente de fluctuación del reloj.
El ruido de la red de distribución de energía (PDN) es uno de los problemas más comunes en las aplicaciones de baja potencia. Ya sea que esté suministrando energía para ADC, relojes, LNA, redes de datos digitales o aplicaciones de RF sensibles, ajustar la fuente de alimentación correctamente es fundamental. Estos circuitos sensibles pueden verse perturbados por el ruido de la fuente de alimentación de unos pocos milivoltios o menos. Debido a esta extrema sensibilidad y la interacción entre la fuente de alimentación, la red de distribución y la carga, a menudo es necesario solucionar problemas de la fuente de alimentación.
Debido a la interacción entre la impedancia de la fuente y la impedancia de carga, la resolución de problemas debe realizarse en el circuitoy el acceso físico suele ser muy limitado. Como resultado, este puede ser un proceso que requiere mucho tiempo.
Incluso en circuitos que parecen ser completamente funcionales, generalmente se evalúa la sensibilidad de la fuente de alimentación. Esta es la mejor manera de identificar los problemas potenciales que pueden surgir debido a la operación y la tolerancia ambiental.
En esta aplicación de muestra, demostraremos algunas herramientas de prueba simples que se utilizarán junto con su analizador de espectro y red para ayudar a respaldar las investigaciones de fuentes de ruido de la fuente de alimentación.
La Figura 1 muestra la placa de demostración de entrenamiento Picotest VRTS3, que incluye una variedad de circuitos de ejemplo para admitir múltiples tipos de mediciones.
Figura 1: Placa de demostración de entrenamiento Picotest VRTS3, que muestra el LDO y el diseño del reloj.
Uno de estos circuitos de ejemplo es un reloj de 125 MHz (OSC401) alimentado por una caída baja (LDO). organismo regulador (U301). El interruptor DIP de cuatro posiciones (S301) se puede utilizar para conectar o desconectar cuatro salidas diferentes. condensadores con el LDO para cambiar la estabilidad de la fuente de alimentación.
El diagrama de circuito esquemático de la Figura 2 muestra el regulador lineal LDO (LT1086), que suministra energía al oscilador de reloj de 125 MHz OSC401 a través de un interruptor deslizante (SEL1). Vale la pena señalar que el desacoplamiento de 0.01 uF condensador C402 (a la derecha).
Figura 2: LDO y circuito de reloj
El uso de un generador de peine de armónicos de banda ancha y una sonda de línea de transmisión pasiva de 1 puerto puede realizar rápida y fácilmente la identificación de la sensibilidad al ruido de la fuente de alimentación.
El peine armónico J2150A proporciona una fuente de ruido de banda ancha con una impedancia de salida de 50 Ω. Está contenido en una forma de "memoria USB" ultraportátil. Los peines armónicos proporcionan ruido en el rango de frecuencia de 1 kHz a más de 1 GHz en tres rangos de frecuencia. El rango se centra en 1 kHz, 100 kHz y 8 MHz. Los armónicos se generan por la fluctuación de tiempo y frecuencia del pulso de salida. El peine puede abarcar automáticamente estos rangos, o puede bloquearse en un solo rango de frecuencia. Aunque la mayoría de los instrumentos tienen varios puertos USB sin usar, el peine también se puede alimentar con una batería de respaldo de teléfono celular popular para brindar una solución portátil.
Un DC de banda ancha módulo Generalmente se incluye entre el inyector de peine y la sonda para aislar la impedancia de CC de 50 Ω del circuito bajo prueba. El espectro del reloj se puede ver en un osciloscopio con un analizador de espectro, un analizador de fuente de señal o un analizador de espectro opcional. La estabilidad y la impedancia distribuida del voltaje El regulador puede verse fácilmente como bandas laterales o fluctuaciones en el espectro del reloj.
Figura 3: Este espectrograma de osciloscopio resalta el impulso de reloj a aproximadamente 6 MHz. Estas ramas se utilizan para demostrar una técnica de resolución de problemas sencilla y rápida.
La sonda de línea de transmisión Picotest es única. Puede proporcionar ganancia unitaria y conexión bidireccional de 50 Ω para varios instrumentos a través de una variedad de cómodas sondas de navegador para detectar redes de distribución de energía. Como se muestra en este ejemplo, esto permite usar la sonda para inyectar la señal, o usar la misma sonda para medir el ruido. La conexión de la sonda es un conector SMA universal de 50 Ω, que se puede conectar a la mayoría de los instrumentos.
En este ejemplo, la estructura de peine armónico usa una sonda de 1 puerto para inyectar señales de banda ancha en la tapa de desacoplamiento (C402) del reloj, como se muestra en la Figura 4. Monitoree el espectro de frecuencia del reloj en el conector SMA J3.
Figura 4: Herramienta simple pero eficaz que admite consultas PDN y evaluación de jitter de reloj. Incluye un generador de señal de banda ancha de peine armónico J2150A (izquierda) y una sonda pasiva de 1Ω bidireccional de 2 puerto y 50 puertos y un aislador de CC (izquierda).
Moviendo el punto de inyección de ruido al regulador lineal (igual que el trazado de la placa de circuito impreso, pero ubicado aguas abajo del reloj), notamos que a -45dBc en la Figura 7, el ruido de banda lateral del reloj es mucho menor. Esta información nos dice que el resonador está entre el regulador y el reloj. La resonancia incluye la inductancia de las trazas de la placa de circuito impreso y el condensador de desacoplamiento C402.
Figura 5: El peine armónico J2150A (el recuadro en la Figura 3) se conecta a la sonda de 1 puerto a través del bloqueador de CC P2130A y se usa para inyectar la señal en el C402 (el VDD del oscilador de reloj de 125MHz). Supervise el espectro de reloj en el conector SMA J3.
Posicionando la resonancia en el reloj, podemos utilizar el valor del condensador de desacoplamiento (10 nF) y la frecuencia resonante de 7.5 MHz (7.5 MHz) para calcular la impedancia característica de la conexión de la PCB. La impedancia característica se puede calcular como 1 / (2 * PI * 7.5 MHz * 10 nF), que es 2.1Ω en este caso. Poner el interruptor SEL1 en la posición central (APAGADO) insertará un 2.4Ω Resistencia (R305) entre el regulador lineal y el reloj para suprimir la resonancia. Como se muestra en la Figura 8, se eliminan las bandas laterales del espectro de reloj de 7MHz, lo que muestra que la resonancia se puede suprimir de manera efectiva aumentando la resistencia en serie entre el regulador lineal y el reloj.
Figura 6: La consulta PDN que utiliza el conjunto de señales de patrón de búsqueda en peine muestra una resonancia de aproximadamente 7.5 MHz, como se ve en las bandas laterales espectrales alrededor de la frecuencia fundamental del reloj. Tenga en cuenta que el valor máximo es de aproximadamente -30 dBc.
Mediante el uso de un analizador de redes vectoriales (VNA) para medir la impedancia del condensador de desacoplamiento del reloj, se pueden confirmar fácilmente los efectos de resonancia y amortiguación. La Figura 9 muestra los resultados de la medición de dos capacitores de salida de regulador lineal diferentes y la inserción de R305.
Figura 7: Al inyectar ruido en diferentes ubicaciones dentro de la PDN, la fuente de ruido se puede ubicar rápidamente. Tenga en cuenta que la banda lateral es aproximadamente 15 dB más baja que en la Figura 6. Esto nos dice que la resonancia se produce en el reloj y no en el regulador.
Aunque las bandas laterales no parecen tan severas, pueden afectar significativamente el rendimiento, mucho más severas que otros aspectos. Primero, tenga en cuenta que la banda lateral en la Figura 3 aparece a 6 MHz, y hemos determinado que la resonancia de la PCB es de 7.5 MHz. En segundo lugar, los resultados de la medición en la Figura 9 muestran que a 6 MHz, la impedancia es aproximadamente 5 dB menor que la impedancia en el pico de 7.5 MHz, y a 9 MHz, la impedancia es aproximadamente 15 dB menor que la impedancia en el pico de 7.5 MHz. .
Figura 8: La banda lateral de reloj de 7MHz se elimina insertando una resistencia en serie entre el regulador y el reloj, suprimiendo así la resonancia de la PCB.
Entonces, ¿qué inspiró la resonancia? También se proporciona un regulador de punto de carga (POL) de conmutación de 2.8 MHz en la placa de demostración VRTS3. Los armónicos segundo y tercero están lo suficientemente cerca del pico de resonancia para generar ruido de reloj. Podemos determinar la frecuencia de conmutación de POL como generador de ruido porque se incluye un interruptor de habilitación en la placa de entrenamiento VRTS3 para este propósito. Si el regulador de conmutación está apagado, la banda lateral del reloj de 6 MHz desaparecerá. Esto también explica claramente por qué estamos preguntando sobre el circuito, aunque el circuito parece estar funcionando correctamente.
Figura 9: En dos capacitores de salida de regulador lineal diferentes (seleccionados por el interruptor S301), la resonancia de 7.5 MHz (trazo rojo, azul) se puede ver claramente. Insertar una resistencia de 2.4Ω puede suprimir la resonancia (trazo verde), reduciendo así la impedancia a 7.5MHz en aproximadamente 15 dB.
La frecuencia de funcionamiento del regulador de conmutación tiene una tolerancia de 750 kHz y el condensador de desacoplamiento también tiene una tolerancia. Estas tolerancias pueden mover fácilmente el segundo armónico del regulador de conmutación a la frecuencia que aparece en el pico de impedancia, lo que aumenta significativamente el ruido del reloj. Aunque es poco probable que vea esta alineación de frecuencia en la prueba nominal, es más probable que conozca su alineación de frecuencia a través de esta consulta PDN.
Con todo, determinamos rápidamente la sensibilidad de la PDN, lo que condujo a un aumento de la fluctuación del reloj. Determinamos el ruido, determinamos la fuente de ruido y la impedancia característica, y corregimos fácilmente el problema al aplanar la impedancia del riel de alimentación en el reloj. Con un generador de peine de armónicos altamente portátil (Picotest J2150A), una sonda portátil de 1 puerto (Picotest P2100A) y un osciloscopio (Keysight Infiniium S), todas las operaciones se pueden completar en solo unos minutos.
Picotest proporciona una variedad de soluciones integradas para optimizar, probar y solucionar problemas de integridad de la energía, como la fluctuación del reloj, y es compatible con varios instrumentos y dominios de medición. El generador de peine de armónicos J2150A lanzado recientemente se utiliza junto con la sonda de 2100 puerto P1A. Aunque es poderoso, es solo una solución.