간단한 프로브 기반 솔루션을 사용하여 클록 지터 소스의 위치를 포함하여 PDN 온라인 감도를 빠르게 식별할 수 있습니다.
전력 분배 네트워크(PDN) 노이즈는 저전력 애플리케이션에서 가장 일반적인 문제 중 하나입니다. ADC, 클록, LNA, 디지털 데이터 네트워크 또는 민감한 RF 애플리케이션에 전원을 공급하든 전원 공급 장치를 올바르게 조정하는 것은 매우 중요합니다. 이러한 민감한 회로는 몇 밀리볼트 이하의 전원 공급 장치 노이즈에 의해 방해받을 수 있습니다. 이러한 극도의 감도와 전원 공급 장치, 배전 네트워크 및 부하 간의 상호 작용으로 인해 전원 공급 장치의 문제를 해결해야 하는 경우가 많습니다.
소스 임피던스와 부하 임피던스 간의 상호 작용으로 인해 문제 해결은 회로, 그리고 물리적 접근은 일반적으로 매우 제한적입니다. 결과적으로 이것은 시간이 많이 걸리는 프로세스가 될 수 있습니다.
완전히 기능하는 것처럼 보이는 회로에서도 일반적으로 전원 공급 장치의 감도가 평가됩니다. 이것은 작동 및 환경 허용 오차로 인해 발생할 수 있는 잠재적인 문제를 식별하는 가장 좋은 방법입니다.
이 샘플 애플리케이션에서는 전원 공급 장치 노이즈 소스 조사를 지원하는 데 도움이 되도록 스펙트럼 및 네트워크 분석기와 함께 사용할 몇 가지 간단한 테스트 도구를 보여줍니다.
그림 1은 여러 유형의 측정을 지원하는 다양한 예제 회로를 포함하는 Picotest VRTS3 교육 데모 보드를 보여줍니다.
그림 1: LDO 및 클록 레이아웃을 보여주는 Picotest VRTS3 교육 데모 보드.
이러한 예제 회로 중 하나는 저드롭아웃(LDO)으로 구동되는 125MHz 클록(OSC401)입니다. 조정기 (U301). 301위치 DIP 스위치(SXNUMX)를 사용하여 XNUMX개의 서로 다른 출력을 연결하거나 연결 해제할 수 있습니다. 커패시터 LDO로 전원 공급 장치의 안정성을 변경합니다.
그림 2의 회로도는 슬라이드 스위치(SEL1086)를 통해 125MHz 클록 발진기 OSC401에 전원을 공급하는 LDO 선형 레귤레이터(LT1)를 보여줍니다. 0.01uF 디커플링이 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 콘덴서 C402(오른쪽).
그림 2: LDO 및 클록 회로
광대역 고조파 빗 발생기와 1포트 수동 전송 라인 프로브를 사용하면 전원 공급 장치 노이즈 감도를 빠르고 쉽게 식별할 수 있습니다.
J2150A 고조파 빗은 50Ω 출력 임피던스의 광대역 잡음 소스를 제공합니다. 휴대성이 뛰어난 USB "스틱" 모양에 들어 있습니다. 고조파 빗은 세 가지 주파수 범위에서 1kHz ~ 1GHz 이상의 주파수 범위에서 노이즈를 제공합니다. 범위는 1kHz, 100kHz 및 8MHz를 중심으로 합니다. 고조파는 출력 펄스의 시간 및 주파수 지터에 의해 생성됩니다. 빗은 자동으로 이러한 범위에 걸쳐 있거나 단일 주파수 범위에서 잠글 수 있습니다. 대부분의 기기에는 사용하지 않는 USB 포트가 여러 개 있지만, 휴대용 솔루션을 제공하기 위해 널리 사용되는 휴대폰 백업 배터리로 빗에 전원을 공급할 수도 있습니다.
광대역 DC 모듈 일반적으로 빗형 인젝터와 프로브 사이에 포함되어 테스트 중인 회로에서 50Ω DC 임피던스를 분리합니다. 클록 스펙트럼은 옵션 스펙트럼 분석기, 신호 소스 분석기 또는 스펙트럼 분석기를 사용하여 오실로스코프에서 볼 수 있습니다. 안정성과 분산 임피던스 전압 레귤레이터는 클록 스펙트럼에서 측파대 또는 지터로 쉽게 볼 수 있습니다.
그림 3: 이 오실로스코프 스펙트로그램은 약 6MHz에서 클럭 스퍼를 강조 표시합니다. 이러한 분기는 간단하고 빠른 문제 해결 기술을 시연하는 데 사용됩니다.
Picotest 전송 라인 프로브는 독특합니다. 다양한 편리한 브라우저 프로브를 통해 다양한 계측기에 단일 이득 및 양방향 50Ω 연결을 제공하여 배전 네트워크를 감지할 수 있습니다. 이 예에서 볼 수 있듯이 이를 통해 프로브를 사용하여 신호를 주입하거나 동일한 프로브를 사용하여 노이즈를 측정할 수 있습니다. 프로브 연결은 대부분의 기기에 연결할 수 있는 범용 50Ω SMA 커넥터입니다.
이 예에서 고조파 빗 구조는 그림 1와 같이 402포트 프로브를 사용하여 광대역 신호를 클록의 디커플링 캡(C4)에 주입합니다. SMA 커넥터 J3에서 클록의 주파수 스펙트럼을 모니터링합니다.
그림 4: 간단하지만 효과적인 도구는 PDN 쿼리 및 클록 지터 평가를 지원합니다. 여기에는 J2150A 고조파 빗형 광대역 신호 발생기(왼쪽), 1포트(중앙) 및 2포트 양방향 50Ω 패시브 프로브 및 DC 절연기(왼쪽)가 포함됩니다.
잡음 주입 지점을 선형 레귤레이터(인쇄 회로 기판 트레이스와 동일하지만 클록의 다운스트림에 위치)로 이동하면 그림 45의 -7dBc에서 클록의 측파대 잡음이 훨씬 더 작다는 것을 알 수 있습니다. 이 정보는 공진기가 레귤레이터와 클록 사이에 있음을 알려줍니다. 공진에는 인쇄 회로 기판 트레이스와 디커플링 커패시터 C402의 인덕턴스가 포함됩니다.
그림 5: J2150A 고조파 빗(그림 3의 삽입)은 P1A DC 차단기를 통해 2130포트 프로브에 연결되고 신호를 C402(125MHz 클록 발진기의 VDD)에 주입하는 데 사용됩니다. SMA 커넥터 J3의 클록 스펙트럼을 모니터링합니다.
공진을 클록에 배치하면 디커플링 커패시터(10nF) 및 7.5MHz 공진 주파수(7.5MHz) 값을 사용하여 PCB 연결의 특성 임피던스를 계산할 수 있습니다. 특성 임피던스는 1/(2 * PI * 7.5MHz * 10nF)로 계산할 수 있으며 이 경우 2.1Ω입니다. SEL1 스위치를 중앙(OFF) 위치에 놓으면 2.4Ω 저항기 (R305) 선형 레귤레이터와 클록 사이에 공진을 억제합니다. 그림 8에서 볼 수 있듯이 7MHz 클록 스펙트럼 측파대가 제거되어 선형 레귤레이터와 클록 사이의 직렬 저항을 증가시켜 공진을 효과적으로 억제할 수 있음을 보여줍니다.
그림 6: 콤 검색 패턴 신호 세트를 사용하는 PDN 쿼리는 클록의 기본 주파수 주변의 스펙트럼 측파대에서 볼 수 있듯이 약 7.5MHz의 공진을 보여줍니다. 피크 값은 약 -30dBc입니다.
벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용하여 클록의 감결합 커패시터의 임피던스를 측정함으로써 공진 및 감쇠 효과를 쉽게 확인할 수 있습니다. 그림 9는 두 개의 서로 다른 선형 레귤레이터 출력 커패시터와 R305 삽입의 측정 결과를 보여줍니다.
그림 7: PDN 내의 다른 위치에 노이즈를 주입하여 노이즈 소스를 빠르게 찾을 수 있습니다. 측파대는 그림 15보다 약 6dB 낮습니다. 이것은 레귤레이터가 아니라 클럭에서 공진이 발생한다는 것을 알려줍니다.
측파대가 그렇게 심각해 보이지는 않지만 다른 측면보다 훨씬 더 심각한 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 먼저, 그림 3의 측파대(sideband)는 6MHz에서 나타나고 PCB 공진은 7.5MHz에서 확인되었습니다. 둘째, 그림 9의 측정 결과는 6MHz에서 임피던스가 5MHz 피크에서 임피던스보다 약 7.5dB 낮고, 9MHz에서 임피던스가 15MHz 피크에서 임피던스보다 약 7.5dB 낮음을 보여줍니다. .
그림 8: 조정기와 클록 사이에 직렬 저항을 삽입하여 7MHz 클록 측파대를 제거하여 PCB 공진을 억제합니다.
그렇다면 무엇이 공명에 영감을 주었습니까? 2.8MHz 스위치 포인트 오브 로드(POL) 레귤레이터도 VRTS3 데모 보드에 제공됩니다. 두 번째 및 세 번째 고조파는 클록 노이즈를 생성할 수 있을 만큼 공진 피크에 충분히 가깝습니다. 이를 위해 VRTS3 트레이닝 보드에 인에이블 스위치가 포함되어 있기 때문에 잡음 발생기로 POL 스위칭 주파수를 결정할 수 있습니다. 스위칭 레귤레이터가 꺼지면 6MHz 클록 측파대가 사라집니다. 이것은 또한 회로가 제대로 작동하는 것처럼 보이지만 우리가 회로에 대해 묻는 이유를 명확하게 설명합니다.
그림 9: 두 개의 서로 다른 선형 조정기 출력 커패시터(스위치 S301로 선택)에서 7.5MHz 공진(빨간색, 파란색 트레이스)을 명확하게 볼 수 있습니다. 2.4Ω 저항을 삽입하면 공진(녹색 트레이스)을 억제할 수 있으므로 7.5MHz에서 임피던스를 약 15dB 줄일 수 있습니다.
스위칭 조정기의 작동 주파수는 750kHz의 허용 오차를 가지며 디커플링 커패시터에도 허용 오차가 있습니다. 이러한 허용 오차는 스위칭 레귤레이터의 XNUMX차 고조파를 임피던스 피크에서 나타나는 주파수로 쉽게 이동시켜 클록 잡음을 크게 증가시킬 수 있습니다. 명목 테스트에서 이 주파수 정렬을 볼 가능성은 거의 없지만 이 PDN 조회를 통해 주파수 정렬에 대해 배울 가능성이 더 큽니다.
대체로 우리는 PDN 감도를 빠르게 결정하여 클록 지터를 증가시켰습니다. 우리는 노이즈를 결정하고, 노이즈 소스와 특성 임피던스를 결정하고, 클럭에서 파워 레일 임피던스를 평평하게 하여 문제를 쉽게 수정했습니다. 휴대성이 뛰어난 고조파 빗 발생기(Picotest J2150A), 휴대용 1포트 프로브(Picotest P2100A) 및 오실로스코프(Keysight Infiniium S)를 사용하면 몇 분 안에 모든 작업을 완료할 수 있습니다.
Picotest는 클럭 지터와 같은 전력 무결성 문제를 최적화, 테스트 및 해결하기 위한 다양한 번들 솔루션을 제공하고 다양한 계측기 및 측정 영역을 지원합니다. 최근 출시된 J2150A 고조파 빗 발생기는 P2100A 1포트 프로브와 함께 사용됩니다. 비록 강력하지만 해결책일 뿐입니다.