À l'aide d'une solution simple basée sur une sonde, vous pouvez rapidement identifier la sensibilité en ligne du PDN, y compris l'emplacement de la source de gigue d'horloge.
Le bruit du réseau de distribution d'énergie (PDN) est l'un des problèmes les plus courants dans les applications à faible puissance. Que vous alimentiez des CAN, des horloges, des LNA, des réseaux de données numériques ou des applications RF sensibles, le réglage correct de l'alimentation est essentiel. Ces circuits sensibles peuvent être perturbés par un bruit d'alimentation de quelques millivolts ou moins. En raison de cette extrême sensibilité et de l'interaction entre l'alimentation, le réseau de distribution et la charge, il est souvent nécessaire de dépanner l'alimentation.
En raison de l'interaction entre l'impédance de source et l'impédance de charge, le dépannage doit être effectué dans le circuit, et l'accès physique est généralement très limité. Par conséquent, ce processus peut prendre beaucoup de temps.
Même dans les circuits qui semblent être entièrement fonctionnels, la sensibilité de l'alimentation est généralement évaluée. C'est la meilleure façon d'identifier les problèmes potentiels qui peuvent survenir en raison de l'exploitation et de la tolérance environnementale.
Dans cet exemple d'application, nous allons démontrer quelques outils de test simples qui seront utilisés en conjonction avec votre analyseur de spectre et de réseau pour aider à prendre en charge les enquêtes sur les sources de bruit de l'alimentation.
La figure 1 montre la carte de démonstration de formation Picotest VRTS3, qui comprend une variété d'exemples de circuits pour prendre en charge plusieurs types de mesures.
Figure 1 : Carte de démonstration de formation Picotest VRTS3, montrant la disposition du LDO et de l'horloge.
L'un de ces exemples de circuits est une horloge de 125 MHz (OSC401) alimentée par un faible décrochage (LDO). régulateur (U301). Le commutateur DIP à quatre positions (S301) peut être utilisé pour connecter ou déconnecter quatre sorties différentes Condensateurs avec le LDO pour modifier la stabilité de l'alimentation.
Le schéma de circuit de la figure 2 montre le régulateur linéaire LDO (LT1086), qui alimente l'oscillateur d'horloge 125 MHz OSC401 via un interrupteur à glissière (SEL1). Il convient de noter que le découplage de 0.01 uF condensateur C402 (à droite).
Figure 2 : LDO et circuit d'horloge
L'utilisation d'un générateur de peigne harmonique à large bande et d'une sonde de ligne de transmission passive à 1 port permet de réaliser rapidement et facilement l'identification de la sensibilité au bruit de l'alimentation.
Le peigne harmonique J2150A fournit une source de bruit à large bande avec une impédance de sortie de 50 . Il est contenu dans une forme de « clé USB » ultra-portable. Les peignes harmoniques produisent du bruit dans la plage de fréquences de 1 kHz à plus de 1 GHz dans trois plages de fréquences. La gamme est centrée à 1kHz, 100kHz et 8MHz. Les harmoniques sont générées par la gigue temporelle et fréquentielle de l'impulsion de sortie. Le peigne peut couvrir automatiquement ces plages, ou il peut être verrouillé dans une seule plage de fréquences. Bien que la plupart des instruments aient plusieurs ports USB inutilisés, le peigne peut également être alimenté par une batterie de secours de téléphone portable populaire pour fournir une solution portable.
Un DC haut débit module est généralement inclus entre l'injecteur en peigne et la sonde pour isoler l'impédance CC de 50 Ω du circuit testé. Le spectre d'horloge peut être visualisé sur un oscilloscope avec un analyseur de spectre, un analyseur de source de signal ou un analyseur de spectre en option. La stabilité et l'impédance distribuée du Tension Le régulateur peut facilement être vu comme des bandes latérales ou une gigue dans le spectre d'horloge.
Figure 3 : Ce spectrogramme d'oscilloscope met en évidence l'impulsion d'horloge à environ 6 MHz. Ces branches sont utilisées pour démontrer une technique de dépannage simple et rapide.
La sonde de ligne de transmission Picotest est unique. Il peut fournir un gain unitaire et une connexion bidirectionnelle 50Ω pour divers instruments via une variété de sondes de navigateur confortables pour détecter les réseaux de distribution d'énergie. Comme le montre cet exemple, cela permet d'utiliser la sonde pour injecter le signal, ou d'utiliser la même sonde pour mesurer le bruit. La connexion de la sonde est un connecteur SMA universel 50Ω, qui peut être connecté à la plupart des instruments.
Dans cet exemple, la structure en peigne harmonique utilise une sonde à 1 port pour injecter des signaux à large bande dans le capuchon de découplage (C402) de l'horloge, comme illustré à la figure 4. Surveillez le spectre de fréquence de l'horloge sur le connecteur SMA J3.
Figure 4 : Un outil simple mais efficace prend en charge les requêtes PDN et l'évaluation de la gigue d'horloge. Il comprend un générateur de signal à large bande en peigne harmonique J2150A (à gauche), ainsi qu'une sonde passive bidirectionnelle 1Ω à 2 port (au centre) et 50 ports et un isolateur CC (à gauche).
En déplaçant le point d'injection de bruit vers le régulateur linéaire (identique à la trace du circuit imprimé, mais situé en aval de l'horloge), nous avons remarqué qu'à -45dBc sur la figure 7, le bruit de bande latérale de l'horloge est beaucoup plus petit. Cette information nous indique que le résonateur est entre le régulateur et l'horloge. La résonance comprend l'inductance des pistes de la carte de circuit imprimé et le condensateur de découplage C402.
Figure 5 : Le peigne harmonique J2150A (l'encart sur la figure 3) est connecté à la sonde à 1 port via le bloqueur CC P2130A et utilisé pour injecter le signal dans le C402 (le VDD de l'oscillateur d'horloge 125 MHz). Surveillez le spectre d'horloge sur le connecteur SMA J3.
En positionnant la résonance sur l'horloge, on peut utiliser la valeur du condensateur de découplage (10 nF) et la fréquence de résonance de 7.5 MHz (7.5 MHz) pour calculer l'impédance caractéristique de la connexion PCB. L'impédance caractéristique peut être calculée comme 1/(2 * PI * 7.5 MHz * 10 nF), qui est de 2.1 dans ce cas. Mettre le commutateur SEL1 en position centrale (OFF) insèrera un 2.4Ω Resistor (R305) entre le régulateur linéaire et l'horloge pour supprimer la résonance. Comme le montre la figure 8, les bandes latérales du spectre d'horloge à 7 MHz sont éliminées, ce qui montre que la résonance peut être supprimée efficacement en augmentant la résistance série entre le régulateur linéaire et l'horloge.
Figure 6 : La requête PDN utilisant l'ensemble de signaux de modèle de recherche en peigne montre une résonance d'environ 7.5 MHz, comme on le voit dans les bandes latérales spectrales autour de la fréquence fondamentale de l'horloge. Notez que la valeur de crête est d'environ -30 dBc.
En utilisant un analyseur de réseau vectoriel (VNA) pour mesurer l'impédance du condensateur de découplage de l'horloge, les effets de résonance et d'amortissement peuvent être facilement confirmés. La figure 9 montre les résultats de mesure de deux condensateurs de sortie de régulateur linéaire différents et l'insertion de R305.
Figure 7 : En injectant du bruit à différents endroits dans le PDN, la source de bruit peut être rapidement localisée. Notez que la bande latérale est inférieure d'environ 15 dB à celle de la figure 6. Cela nous indique que la résonance se produit au niveau de l'horloge et non au niveau du régulateur.
Bien que les bandes latérales ne semblent pas si sévères, elles peuvent affecter considérablement les performances, beaucoup plus sévères que d'autres aspects. Tout d'abord, veuillez noter que la bande latérale de la figure 3 apparaît à 6 MHz, et nous avons déterminé que la résonance du PCB est à 7.5 MHz. Deuxièmement, les résultats de mesure de la figure 9 montrent qu'à 6 MHz, l'impédance est d'environ 5 dB inférieure à l'impédance au pic de 7.5 MHz, et à 9 MHz, l'impédance est d'environ 15 dB inférieure à l'impédance au pic de 7.5 MHz. .
Figure 8 : La bande latérale de l'horloge 7MHz est éliminée en insérant une résistance série entre le régulateur et l'horloge, supprimant ainsi la résonance du PCB.
Alors, qu'est-ce qui a inspiré la résonance? Un régulateur de point de commutation de charge (POL) de 2.8 MHz est également fourni sur la carte de démonstration VRTS3. Les deuxième et troisième harmoniques sont suffisamment proches du pic de résonance pour générer un bruit d'horloge. Nous pouvons déterminer la fréquence de commutation POL comme générateur de bruit car un commutateur d'activation est inclus sur la carte de formation VRTS3 à cet effet. Si le régulateur à découpage est désactivé, la bande latérale d'horloge de 6 MHz disparaîtra. Cela explique également clairement pourquoi nous posons des questions sur le circuit, même si le circuit semble fonctionner correctement.
Figure 9 : Dans deux condensateurs de sortie de régulateur linéaire différents (sélectionnés par le commutateur S301), la résonance de 7.5 MHz (trace rouge, bleue) est clairement visible. L'insertion d'une résistance de 2.4 peut supprimer la résonance (trace verte), réduisant ainsi l'impédance à 7.5 MHz d'environ 15 dB.
La fréquence de fonctionnement du régulateur à découpage a une tolérance de 750 kHz et le condensateur de découplage a également une tolérance. Ces tolérances peuvent facilement déplacer la deuxième harmonique du régulateur à découpage à la fréquence qui apparaît au pic d'impédance, augmentant ainsi considérablement le bruit d'horloge. Bien qu'il soit peu probable que vous voyiez cet alignement de fréquence dans le test nominal, vous êtes plus susceptible d'en apprendre davantage sur son alignement de fréquence grâce à cette enquête PDN.
Dans l'ensemble, nous avons rapidement déterminé la sensibilité du PDN, ce qui a entraîné une augmentation de la gigue d'horloge. Nous avons déterminé le bruit, déterminé la source de bruit et l'impédance caractéristique, et avons facilement corrigé le problème en aplatissant l'impédance du rail d'alimentation à l'horloge. À l'aide d'un générateur de peigne d'harmoniques hautement portable (Picotest J2150A), d'une sonde portable à 1 port (Picotest P2100A) et d'un oscilloscope (Keysight Infiniium S), toutes les opérations peuvent être effectuées en quelques minutes seulement.
Picotest fournit une variété de solutions groupées pour optimiser, tester et résoudre les problèmes d'intégrité de l'alimentation, tels que la gigue d'horloge, et prend en charge divers instruments et domaines de mesure. Le générateur de peigne harmonique J2150A récemment lancé est utilisé en conjonction avec la sonde à 2100 port P1A. Bien qu'il soit puissant, ce n'est qu'une solution.