Met behulp van een eenvoudige, op sondes gebaseerde oplossing kunt u snel de online gevoeligheid van PDN identificeren, inclusief de locatie van de jitterbron van de klok.
Lawaai van het stroomdistributienetwerk (PDN) is een van de meest voorkomende problemen bij toepassingen met een laag stroomverbruik. Of u nu stroom levert voor ADC's, klokken, LNA's, digitale datanetwerken of gevoelige RF-toepassingen, het correct afstellen van de voeding is van cruciaal belang. Deze gevoelige circuits kunnen worden gestoord door ruis van de voeding van enkele millivolt of lager. Door deze extreme gevoeligheid en de interactie tussen de voeding, het distributienet en de belasting, is het vaak nodig om storingen aan de voeding op te lossen.
Vanwege de interactie tussen bronimpedantie en belastingsimpedantie, moet het oplossen van problemen worden uitgevoerd in de circuit, en fysieke toegang is meestal zeer beperkt. Hierdoor kan dit een tijdrovend proces zijn.
Zelfs in circuits die volledig functioneel lijken te zijn, wordt de gevoeligheid van de voeding meestal geëvalueerd. Dit is de beste manier om mogelijke problemen te identificeren die kunnen ontstaan als gevolg van bediening en omgevingstolerantie.
In deze voorbeeldtoepassing zullen we enkele eenvoudige testtools demonstreren die zullen worden gebruikt in combinatie met uw spectrum- en netwerkanalysator ter ondersteuning van onderzoeken naar bronnen voor voedingsruis.
Afbeelding 1 toont het Picotest VRTS3-trainingsdemobord, dat een verscheidenheid aan voorbeeldcircuits bevat om meerdere soorten metingen te ondersteunen.
Afbeelding 1: Picotest VRTS3-trainingsdemobord, met de LDO- en kloklay-out.
Een van deze voorbeeldcircuits is een 125 MHz-klok (OSC401) die wordt aangedreven door een lage uitval (LDO) regelaar (U301). Met de DIP-schakelaar met vier standen (S301) kunnen vier verschillende uitgangen worden aangesloten of losgekoppeld Condensatoren met de LDO om de stabiliteit van de voeding te wijzigen.
The schematic circuit diagram of Figure 2 shows the LDO linear regulator (LT1086), which supplies power to the 125 MHz clock oscillator OSC401 through a slide switch (SEL1). It is worth noting that the 0.01 uF decoupling condensator C402 (on the right).
Figuur 2: LDO en klokcircuit
Met behulp van een breedband harmonische kamgenerator en een passieve transmissielijnsonde met 1 poort kan snel en eenvoudig de identificatie van de ruisgevoeligheid van de voeding worden gerealiseerd.
De J2150A harmonische kam biedt een breedband ruisbron met een uitgangsimpedantie van 50Ω. Het zit in een ultradraagbare USB-stickvorm. Harmonische kammen zorgen voor ruis in het frequentiebereik van 1 kHz tot meer dan 1 GHz in drie frequentiebereiken. Het bereik is gecentreerd op 1kHz, 100kHz en 8MHz. Harmonischen worden gegenereerd door de tijd- en frequentie-jitter van de uitgangspuls. De kam kan deze bereiken automatisch overspannen, of hij kan worden vergrendeld in een enkel frequentiebereik. Hoewel de meeste instrumenten verschillende ongebruikte USB-poorten hebben, kan de kam ook worden gevoed door een populaire back-upbatterij voor mobiele telefoons om een draagbare oplossing te bieden.
Een breedband DC module wordt meestal tussen de combi-injector en de sonde geplaatst om de 50Ω DC-impedantie van het te testen circuit te isoleren. Het klokspectrum kan worden bekeken op een oscilloscoop met een optionele spectrumanalysator, signaalbronanalysator of spectrumanalyzer. De stabiliteit en gedistribueerde impedantie van de spanning regulator kan gemakkelijk worden gezien als zijbanden of jitter in het klokspectrum.
Figuur 3: Dit oscilloscoopspectrogram markeert de klokspoor op ongeveer 6 MHz. Deze branches worden gebruikt om een eenvoudige en snelle techniek voor het oplossen van problemen te demonstreren.
De Picotest transmissielijnsonde is uniek. Het kan eenheidsversterking en een tweeweg 50Ω-verbinding voor verschillende instrumenten bieden via een verscheidenheid aan comfortabele browsersondes om stroomdistributienetwerken te detecteren. Zoals in dit voorbeeld wordt getoond, kan de sonde worden gebruikt om het signaal te injecteren of dezelfde sonde te gebruiken om ruis te meten. De sondeaansluiting is een universele 50Ω SMA-connector, die op de meeste instrumenten kan worden aangesloten.
In dit voorbeeld gebruikt de harmonische kamstructuur een 1-poorts sonde om breedbandsignalen in de ontkoppelingskap (C402) van de klok te injecteren, zoals weergegeven in afbeelding 4. Controleer het frequentiespectrum van de klok op de SMA-connector J3.
Afbeelding 4: Eenvoudige maar effectieve tool ondersteunt PDN-query's en evaluatie van klokjitter. Het bevat een J2150A harmonische kam-breedbandsignaalgenerator (links) en een 1-poorts (midden) en 2-poorts bidirectionele 50Ω passieve sonde en DC-isolator (links).
Door het ruisinjectiepunt naar de lineaire regelaar te verplaatsen (hetzelfde als het spoor van de printplaat, maar stroomafwaarts van de klok geplaatst), merkten we dat bij -45dBc in figuur 7 de zijbandruis van de klok veel kleiner is. Deze informatie vertelt ons dat de resonator zich tussen de regelaar en de klok bevindt. De resonantie omvat de inductantie van de printplaten en de ontkoppelcondensator C402.
Afbeelding 5: De J2150A harmonische kam (de inzet in afbeelding 3) is via de P1A DC blocker aangesloten op de 2130-poorts sonde en wordt gebruikt om het signaal in de C402 (de VDD van de 125 MHz klokoscillator) te injecteren. Bewaak het klokspectrum op de SMA-connector J3.
Door de resonantie op de klok te positioneren, kunnen we de waarde van de ontkoppelcondensator (10 nF) en de 7.5 MHz resonantiefrequentie (7.5 MHz) gebruiken om de karakteristieke impedantie van de PCB-aansluiting te berekenen. De karakteristieke impedantie kan worden berekend als 1/(2 * PI * 7.5 MHz * 10 nF), in dit geval 2.1Ω. Door de SEL1-schakelaar in de middelste (UIT) positie te plaatsen, wordt een 2.4 " Weerstand (R305) tussen de lineaire regelaar en de klok om resonantie te onderdrukken. Zoals weergegeven in figuur 8, zijn de zijbanden van het 7MHz-klokspectrum geëlimineerd, wat aantoont dat resonantie effectief kan worden onderdrukt door de serieweerstand tussen de lineaire regelaar en de klok te vergroten.
Afbeelding 6: De PDN-query met behulp van de kam-zoekpatroonsignaalset toont een resonantie van ongeveer 7.5 MHz, zoals te zien is in de spectrale zijbanden rond de fundamentele frequentie van de klok. Merk op dat de piekwaarde ongeveer -30 dBc is.
Door een vectornetwerkanalysator (VNA) te gebruiken om de impedantie van de ontkoppelcondensator van de klok te meten, kunnen resonantie- en dempingseffecten eenvoudig worden bevestigd. Afbeelding 9 toont de meetresultaten van twee verschillende uitgangscondensatoren van de lineaire regelaar en de invoeging van R305.
Figuur 7: Door geluid te injecteren op verschillende locaties binnen de PDN kan de geluidsbron snel worden gelokaliseerd. Merk op dat de zijband ongeveer 15dB lager is dan in figuur 6. Dit vertelt ons dat de resonantie optreedt bij de klok en niet bij de regelaar.
Hoewel de zijbanden niet zo ernstig lijken, kunnen ze de prestaties aanzienlijk beïnvloeden, veel ernstiger dan andere aspecten. Merk eerst op dat de zijband in figuur 3 verschijnt op 6 MHz, en we hebben vastgesteld dat de PCB-resonantie op 7.5 MHz ligt. Ten tweede laten de meetresultaten in figuur 9 zien dat bij 6 MHz de impedantie ongeveer 5 dB lager is dan de impedantie bij de 7.5 MHz-piek en bij 9 MHz de impedantie ongeveer 15 dB lager is dan de impedantie bij de 7.5 MHz-piek .
Afbeelding 8: De 7MHz-klokzijband wordt geëlimineerd door een serieweerstand tussen de regelaar en de klok te plaatsen, waardoor de PCB-resonantie wordt onderdrukt.
Dus, wat inspireerde de resonantie? Op het VRTS2.8-demobord is ook een 3 MHz Switch Point of Load (POL)-regelaar aanwezig. De tweede en derde harmonischen zijn dicht genoeg bij de resonantiepiek om klokruis te genereren. We kunnen de POL-schakelfrequentie bepalen als de ruisgenerator omdat hiervoor een enable-schakelaar op het VRTS3-trainingsbord is opgenomen. Als de schakelregelaar is uitgeschakeld, verdwijnt de 6MHz-klokzijband. Dit verklaart ook duidelijk waarom we naar het circuit vragen, ook al lijkt het circuit naar behoren te werken.
Afbeelding 9: In twee verschillende uitgangscondensatoren van lineaire regelaars (geselecteerd door schakelaar S301), is de 7.5 MHz-resonantie (rood, blauw spoor) duidelijk te zien. Het plaatsen van een 2.4Ω-weerstand kan resonantie (groene lijn) onderdrukken, waardoor de impedantie bij 7.5 MHz met ongeveer 15 dB wordt verlaagd.
De werkfrequentie van de schakelregelaar heeft een tolerantie van 750 kHz en de ontkoppelcondensator heeft ook een tolerantie. Deze toleranties kunnen de tweede harmonische van de schakelende regelaar gemakkelijk verplaatsen naar de frequentie die toevallig verschijnt bij de impedantiepiek, waardoor de klokruis aanzienlijk toeneemt. Hoewel het onwaarschijnlijk is dat u deze frequentie-uitlijning in de nominale test zult zien, is de kans groter dat u meer te weten komt over de frequentie-uitlijning via dit PDN-onderzoek.
Al met al hebben we snel de PDN-gevoeligheid bepaald, waardoor de klokjitter toenam. We bepaalden de ruis, bepaalden de ruisbron en karakteristieke impedantie, en corrigeerden het probleem eenvoudig door de stroomrailimpedantie op de klok af te vlakken. Met behulp van een zeer draagbare harmonische kamgenerator (Picotest J2150A), een draagbare 1-poorts sonde (Picotest P2100A) en een oscilloscoop (Keysight Infiniium S), kunnen alle bewerkingen in slechts enkele minuten worden voltooid.
Picotest biedt een verscheidenheid aan gebundelde oplossingen voor het optimaliseren, testen en oplossen van problemen met stroomintegriteit, zoals klokjitter, en ondersteunt verschillende instrumenten en meetdomeinen. De onlangs gelanceerde J2150A harmonische kamgenerator wordt gebruikt in combinatie met de P2100A 1-poorts sonde. Hoewel het krachtig is, is het slechts een oplossing.