Utilizzando una semplice soluzione basata su sonda, è possibile identificare rapidamente la sensibilità online del PDN, inclusa la posizione della sorgente del jitter del clock.
Il rumore della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) è uno dei problemi più comuni nelle applicazioni a bassa potenza. Sia che si fornisca alimentazione ad ADC, clock, LNA, reti di dati digitali o applicazioni RF sensibili, la corretta regolazione dell'alimentazione è fondamentale. Questi circuiti sensibili possono essere disturbati da un rumore di alimentazione di pochi millivolt o inferiore. A causa di questa estrema sensibilità e dell'interazione tra l'alimentatore, la rete di distribuzione e il carico, è spesso necessario risolvere i problemi dell'alimentatore.
A causa dell'interazione tra l'impedenza della sorgente e l'impedenza del carico, la risoluzione dei problemi deve essere eseguita nel circuitoe l'accesso fisico è generalmente molto limitato. Di conseguenza, questo può essere un processo che richiede tempo.
Anche in circuiti che sembrano perfettamente funzionanti, viene solitamente valutata la sensibilità dell'alimentatore. Questo è il modo migliore per identificare potenziali problemi che possono sorgere a causa del funzionamento e della tolleranza ambientale.
In questa applicazione di esempio, dimostreremo alcuni semplici strumenti di test che verranno utilizzati insieme all'analizzatore di spettro e di rete per supportare le indagini sulla sorgente di rumore dell'alimentatore.
La Figura 1 mostra la scheda dimostrativa di addestramento Picotest VRTS3, che include una varietà di circuiti di esempio per supportare più tipi di misurazioni.
Figura 1: Scheda dimostrativa di addestramento Picotest VRTS3, che mostra l'LDO e il layout dell'orologio.
Uno di questi circuiti di esempio è un clock da 125 MHz (OSC401) alimentato da un basso dropout (LDO) regolatore (U301). L'interruttore DIP a quattro posizioni (S301) può essere utilizzato per collegare o scollegare quattro uscite diverse Condensatori con l'LDO per modificare la stabilità dell'alimentazione.
Lo schema circuitale della Figura 2 mostra il regolatore lineare LDO (LT1086), che fornisce alimentazione all'oscillatore di clock da 125 MHz OSC401 attraverso un interruttore a scorrimento (SEL1). Vale la pena notare che il disaccoppiamento è di 0.01 uF condensatore C402 (a destra).
Figura 2: LDO e circuito di clock
L'utilizzo di un generatore di pettini armonici a banda larga e di una sonda per linea di trasmissione passiva a 1 porta può realizzare rapidamente e facilmente l'identificazione della sensibilità al rumore dell'alimentatore.
Il pettine armonico J2150A fornisce una sorgente di rumore a banda larga con un'impedenza di uscita di 50Ω. È contenuto in una forma di "stick" USB ultra portatile. I pettini armonici forniscono rumore nella gamma di frequenza da 1kHz a oltre 1GHz in tre gamme di frequenza. La gamma è centrata su 1kHz, 100kHz e 8MHz. Le armoniche sono generate dal jitter di tempo e frequenza dell'impulso di uscita. Il pettine può estendersi automaticamente su queste gamme o può essere bloccato in una singola gamma di frequenza. Sebbene la maggior parte degli strumenti disponga di diverse porte USB inutilizzate, il pettine può anche essere alimentato da una popolare batteria di backup del telefono cellulare per fornire una soluzione portatile.
Un DC a banda larga modulo è solitamente incluso tra l'iniettore a pettine e la sonda per isolare l'impedenza CC da 50 Ω dal circuito in prova. Lo spettro dell'orologio può essere visualizzato su un oscilloscopio con un analizzatore di spettro opzionale, un analizzatore di sorgenti di segnale o un analizzatore di spettro. La stabilità e l'impedenza distribuita del voltaggio regolatore può essere facilmente visto come bande laterali o jitter nello spettro del clock.
Figura 3: Questo spettrogramma dell'oscilloscopio evidenzia lo sperone di clock a circa 6 MHz. Questi rami vengono utilizzati per dimostrare una tecnica di risoluzione dei problemi semplice e veloce.
La sonda per linea di trasmissione Picotest è unica. Può fornire guadagno unitario e connessione 50Ω bidirezionale per vari strumenti attraverso una varietà di comode sonde browser per rilevare le reti di distribuzione dell'alimentazione. Come mostrato in questo esempio, ciò consente di utilizzare la sonda per iniettare il segnale o utilizzare la stessa sonda per misurare il rumore. La connessione della sonda è un connettore SMA universale da 50Ω, che può essere collegato alla maggior parte degli strumenti.
In questo esempio, la struttura a pettine armonico utilizza una sonda a 1 porta per iniettare segnali a banda larga nel cappuccio di disaccoppiamento (C402) dell'orologio, come mostrato nella Figura 4. Monitorare lo spettro di frequenza dell'orologio sul connettore SMA J3.
Figura 4: Strumento semplice ma efficace che supporta query PDN e valutazione del jitter del clock. Include un generatore di segnale a banda larga a pettine armonico J2150A (a sinistra) e una sonda passiva da 1 bidirezionale a 2 porta (al centro) e a 50 porte e un isolatore CC (a sinistra).
Spostando il punto di iniezione del rumore sul regolatore lineare (uguale alla traccia del circuito stampato, ma situato a valle del clock), abbiamo notato che a -45dBc in Figura 7, il rumore in banda laterale del clock è molto più piccolo. Questa informazione ci dice che il risonatore si trova tra il regolatore e l'orologio. La risonanza include l'induttanza delle tracce del circuito stampato e il condensatore di disaccoppiamento C402.
Figura 5: Il pettine armonico J2150A (il riquadro in Figura 3) è collegato alla sonda a 1 porta tramite il blocco CC P2130A e utilizzato per iniettare il segnale nel C402 (il VDD dell'oscillatore di clock a 125 MHz). Monitorare lo spettro del clock sul connettore SMA J3.
Posizionando la risonanza sul clock, possiamo utilizzare il valore del condensatore di disaccoppiamento (10 nF) e la frequenza di risonanza di 7.5 MHz (7.5 MHz) per calcolare l'impedenza caratteristica della connessione del PCB. L'impedenza caratteristica può essere calcolata come 1/(2 * PI * 7.5 MHz * 10 nF), che in questo caso è 2.1Ω. Mettendo l'interruttore SEL1 in posizione centrale (OFF) si inserirà un 2.4Ω Resistore (R305) tra il regolatore lineare e l'orologio per sopprimere la risonanza. Come mostrato nella Figura 8, le bande laterali dello spettro di clock a 7 MHz vengono eliminate, il che mostra che la risonanza può essere efficacemente soppressa aumentando la resistenza in serie tra il regolatore lineare e il clock.
Figura 6: La query PDN che utilizza il set di segnali del modello di ricerca a pettine mostra una risonanza di circa 7.5 MHz, come si vede nelle bande laterali spettrali intorno alla frequenza fondamentale del clock. Notare che il valore di picco è di circa -30 dBc.
Utilizzando un analizzatore di rete vettoriale (VNA) per misurare l'impedenza del condensatore di disaccoppiamento del clock, gli effetti di risonanza e smorzamento possono essere facilmente confermati. La Figura 9 mostra i risultati della misurazione di due diversi condensatori di uscita del regolatore lineare e l'inserimento di R305.
Figura 7: Iniettando rumore in punti diversi all'interno del PDN, è possibile individuare rapidamente la fonte di rumore. Si noti che la banda laterale è di circa 15 dB inferiore rispetto alla Figura 6. Questo ci dice che la risonanza si verifica al clock e non al regolatore.
Sebbene le bande laterali non sembrino così gravi, possono influire in modo significativo sulle prestazioni, molto più gravi di altri aspetti. Innanzitutto, si noti che la banda laterale nella Figura 3 appare a 6 MHz e abbiamo determinato che la risonanza del PCB è a 7.5 MHz. In secondo luogo, i risultati della misurazione nella Figura 9 mostrano che a 6 MHz, l'impedenza è di circa 5 dB inferiore all'impedenza al picco di 7.5 MHz, ea 9 MHz, l'impedenza è di circa 15 dB inferiore all'impedenza al picco di 7.5 MHz .
Figura 8: La banda laterale del clock da 7 MHz viene eliminata inserendo un resistore in serie tra il regolatore e il clock, sopprimendo così la risonanza del PCB.
Allora, cosa ha ispirato la risonanza? Sulla scheda demo VRTS2.8 è inoltre fornito un regolatore del punto di commutazione del carico (POL) da 3 MHz. La seconda e la terza armonica sono abbastanza vicine al picco di risonanza da generare rumore di clock. Possiamo determinare la frequenza di commutazione POL come generatore di rumore perché a questo scopo è incluso un interruttore di abilitazione sulla scheda di addestramento VRTS3. Se il regolatore di commutazione è disattivato, la banda laterale dell'orologio a 6 MHz scompare. Questo spiega anche chiaramente perché stiamo chiedendo del circuito, anche se il circuito sembra funzionare correttamente.
Figura 9: In due diversi condensatori di uscita del regolatore lineare (selezionati dall'interruttore S301), è chiaramente visibile la risonanza a 7.5 MHz (traccia rossa, blu). L'inserimento di un resistore da 2.4 può sopprimere la risonanza (traccia verde), riducendo così l'impedenza a 7.5 MHz di circa 15 dB.
La frequenza operativa del regolatore di commutazione ha una tolleranza di 750 kHz e anche il condensatore di disaccoppiamento ha una tolleranza. Queste tolleranze possono facilmente spostare la seconda armonica del regolatore di commutazione alla frequenza che appare al picco di impedenza, aumentando così significativamente il rumore di clock. Sebbene sia improbabile che tu veda questo allineamento di frequenza nel test nominale, è più probabile che tu venga a conoscenza del suo allineamento di frequenza attraverso questa richiesta PDN.
Tutto sommato, abbiamo rapidamente determinato la sensibilità del PDN, che ha portato ad un aumento del jitter di clock. Abbiamo determinato il rumore, determinato la fonte di rumore e l'impedenza caratteristica e corretto facilmente il problema appiattendo l'impedenza della linea di alimentazione all'orologio. Utilizzando un generatore a pettine armonico altamente portatile (Picotest J2150A), una sonda portatile a 1 porta (Picotest P2100A) e un oscilloscopio (Keysight Infiniium S), tutte le operazioni possono essere completate in pochi minuti.
Picotest fornisce una varietà di soluzioni in bundle per l'ottimizzazione, il test e la risoluzione dei problemi di integrità dell'alimentazione, come il jitter del clock, e supporta vari strumenti e domini di misurazione. Il generatore a pettine armonico J2150A lanciato di recente viene utilizzato in combinazione con la sonda a 2100 porta P1A. Sebbene sia potente, è solo una soluzione.