Solução baseada em sonda para identificar rapidamente a sensibilidade online do PDN

Atualização: 12 de dezembro de 2023

Usando uma solução simples baseada em sonda, você pode identificar rapidamente a sensibilidade online do PDN, incluindo a localização da fonte de jitter do clock.

O ruído da rede de distribuição de energia (PDN) é um dos problemas mais comuns em aplicações de baixa energia. Esteja você fornecendo energia para ADCs, relógios, LNAs, redes de dados digitais ou aplicativos de RF sensíveis, ajustar a fonte de alimentação corretamente é fundamental. Esses circuitos sensíveis podem ser perturbados pelo ruído da fonte de alimentação de alguns milivolts ou menos. Devido a essa extrema sensibilidade e à interação entre a fonte de alimentação, a rede de distribuição e a carga, muitas vezes é necessário solucionar o problema da fonte de alimentação.

Devido à interação entre a impedância da fonte e a impedância da carga, a solução de problemas deve ser realizada no o circuito, e o acesso físico geralmente é muito limitado. Como resultado, isso pode ser um processo demorado.

Mesmo em circuitos que parecem estar totalmente funcionais, a sensibilidade da fonte de alimentação é geralmente avaliada. Esta é a melhor maneira de identificar problemas potenciais que podem surgir devido à operação e tolerância ambiental.

Neste aplicativo de amostra, demonstraremos algumas ferramentas de teste simples que serão usadas em conjunto com seu analisador de espectro e rede para ajudar a apoiar investigações de fontes de ruído de fonte de alimentação.

A Figura 1 mostra a placa de demonstração de treinamento Picotest VRTS3, que inclui uma variedade de circuitos de exemplo para suportar vários tipos de medições.


Figura 1: Placa de demonstração de treinamento Picotest VRTS3, mostrando o LDO e o layout do relógio.

Um desses circuitos de exemplo é um clock de 125 MHz (OSC401) alimentado por um low dropout (LDO). regulador (U301). A chave DIP de quatro posições (S301) pode ser usada para conectar ou desconectar quatro saídas diferentes capacitores com o LDO para alterar a estabilidade da fonte de alimentação.

O diagrama esquemático do circuito da Figura 2 mostra o regulador linear LDO (LT1086), que fornece energia ao oscilador de clock de 125 MHz OSC401 através de uma chave deslizante (SEL1). Vale a pena notar que o desacoplamento de 0.01 uF capacitor C402 (à direita).


Figura 2: LDO e circuito de relógio

O uso de um gerador de harmônico de banda larga e uma ponta de prova de linha de transmissão passiva de 1 porta pode rápida e facilmente realizar a identificação da sensibilidade ao ruído da fonte de alimentação.

O pente harmônico J2150A fornece uma fonte de ruído de banda larga com impedância de saída de 50Ω. Ele está contido em uma forma de “stick” USB ultra-portátil. Os combs harmônicos fornecem ruído na faixa de frequência de 1kHz a mais de 1GHz em três faixas de frequência. A faixa é centrada em 1kHz, 100kHz e 8MHz. Os harmônicos são gerados pelo jitter de tempo e frequência do pulso de saída. O pente pode abranger automaticamente essas faixas ou pode ser travado em uma única faixa de frequência. Embora a maioria dos instrumentos tenha várias portas USB não utilizadas, o pente também pode ser alimentado por uma bateria reserva de telefone celular popular para fornecer uma solução portátil.

Um DC de banda larga módulo geralmente é incluído entre o injetor pente e a sonda para isolar a impedância de 50Ω DC do circuito em teste. O espectro do relógio pode ser visualizado em um osciloscópio com um analisador de espectro opcional, um analisador de fonte de sinal ou um analisador de espectro. A estabilidade e impedância distribuída do Voltagem regulador pode ser facilmente visto como bandas laterais ou jitter no espectro do clock.


Figura 3: Este espectrograma do osciloscópio destaca o spur do relógio em aproximadamente 6 MHz. Essas ramificações são usadas para demonstrar uma técnica de solução de problemas simples e rápida.

A sonda de linha de transmissão Picotest é única. Ele pode fornecer ganho de unidade e conexão bidirecional de 50Ω para vários instrumentos por meio de uma variedade de sondas de navegador confortáveis ​​para detectar redes de distribuição de energia. Conforme mostrado neste exemplo, isso permite que a ponta de prova seja usada para injetar o sinal ou use a mesma ponta de prova para medir o ruído. A conexão da sonda é um conector universal 50Ω SMA, que pode ser conectado à maioria dos instrumentos.

Neste exemplo, a estrutura do pente harmônico usa uma ponta de prova de 1 porta para injetar sinais de banda larga na capa de desacoplamento (C402) do relógio, conforme mostrado na Figura 4. Monitore o espectro de frequência do relógio no conector SMA J3.

Figura 4: ferramenta simples, mas eficaz, oferece suporte a consulta PDN e avaliação de jitter de clock. Inclui um gerador de sinal de banda larga harmônico J2150A (à esquerda) e uma ponta de prova passiva de 1Ω bidirecional de 2 porta (centro) e 50 portas e isolador CC (à esquerda).

Movendo o ponto de injeção de ruído para o regulador linear (igual ao traçado da placa de circuito impresso, mas localizado a jusante do clock), notamos que em -45dBc na Figura 7, o ruído da banda lateral do clock é muito menor. Esta informação nos diz que o ressonador está entre o regulador e o relógio. A ressonância inclui a indutância dos traços da placa de circuito impresso e o capacitor de desacoplamento C402.


Figura 5: O pente harmônico J2150A (a inserção na Figura 3) é conectado à sonda de 1 porta através do bloqueador P2130A DC e usado para injetar o sinal no C402 (o VDD do oscilador de relógio de 125 MHz). Monitore o espectro do relógio no conector SMA J3.

Posicionando a ressonância no relógio, podemos usar o valor do capacitor de desacoplamento (10 nF) e a frequência de ressonância de 7.5 MHz (7.5 MHz) para calcular a impedância característica da conexão PCB. A impedância característica pode ser calculada como 1 / (2 * PI * 7.5 MHz * 10 nF), que é 2.1Ω neste caso. Colocar a chave SEL1 na posição central (DESLIGADA) irá inserir um 2.4Ω Resistor (R305) entre o regulador linear e o relógio para suprimir a ressonância. Conforme mostrado na Figura 8, as bandas laterais do espectro de clock de 7 MHz são eliminadas, o que mostra que a ressonância pode ser efetivamente suprimida aumentando a resistência em série entre o regulador linear e o clock.


Figura 6: A consulta PDN usando o conjunto de sinal de padrão de pesquisa comb mostra uma ressonância de aproximadamente 7.5 MHz, conforme visto nas bandas laterais espectrais em torno da frequência fundamental do relógio. Observe que o valor de pico é de aproximadamente -30 dBc.

Usando um analisador de rede vetorial (VNA) para medir a impedância do capacitor de desacoplamento do relógio, os efeitos de ressonância e amortecimento podem ser facilmente confirmados. A Figura 9 mostra os resultados da medição de dois capacitores de saída do regulador linear diferentes e a inserção do R305.


Figura 7: Ao injetar ruído em diferentes locais dentro do PDN, a fonte de ruído pode ser localizada rapidamente. Observe que a banda lateral é cerca de 15dB mais baixa do que na Figura 6. Isso nos diz que a ressonância ocorre no clock e não no regulador.

Embora as bandas laterais não pareçam tão severas, elas podem afetar significativamente o desempenho, muito mais severo do que outros aspectos. Primeiro, observe que a banda lateral na Figura 3 aparece em 6 MHz, e determinamos que a ressonância do PCB está em 7.5 MHz. Em segundo lugar, os resultados da medição na Figura 9 mostram que a 6 MHz, a impedância é cerca de 5 dB menor do que a impedância no pico de 7.5 MHz, e a 9 MHz, a impedância é cerca de 15 dB menor do que a impedância no pico de 7.5 MHz .


Figura 8: A banda lateral do relógio de 7 MHz é eliminada pela inserção de um resistor em série entre o regulador e o relógio, suprimindo assim a ressonância do PCB.

Então, o que inspirou a ressonância? Um regulador de ponto de comutação de carga (POL) de 2.8 MHz também é fornecido na placa de demonstração VRTS3. O segundo e terceiro harmônicos estão próximos o suficiente do pico de ressonância para gerar ruído de clock. Podemos determinar a frequência de comutação POL como gerador de ruído porque uma chave de habilitação está incluída na placa de treinamento do VRTS3 para essa finalidade. Se o regulador de comutação for desligado, a banda lateral do clock de 6 MHz desaparecerá. Isso também explica claramente por que estamos perguntando sobre o circuito, mesmo que o circuito pareça estar funcionando corretamente.


Figura 9: Em dois capacitores de saída do regulador linear diferentes (selecionados pela chave S301), a ressonância de 7.5 MHz (vermelho, traço azul) pode ser vista claramente. A inserção de um resistor de 2.4Ω pode suprimir a ressonância (traço verde), reduzindo assim a impedância em 7.5 MHz em aproximadamente 15 dB.

A frequência de operação do regulador de chaveamento tem uma tolerância de 750 kHz e o capacitor de desacoplamento também tem uma tolerância. Essas tolerâncias podem facilmente mover o segundo harmônico do regulador de chaveamento para a frequência que aparece no pico de impedância, aumentando significativamente o ruído do clock. Embora seja improvável que você veja esse alinhamento de frequência no teste nominal, é mais provável que você aprenda sobre seu alinhamento de frequência por meio desta pesquisa PDN.

Ao todo, determinamos rapidamente a sensibilidade do PDN, o que levou a um aumento no jitter do clock. Determinamos o ruído, determinamos a fonte de ruído e a impedância característica e corrigimos facilmente o problema achatando a impedância do barramento de alimentação no clock. Usando um gerador de harmônicos altamente portátil (Picotest J2150A), uma ponta de prova portátil de 1 porta (Picotest P2100A) e um osciloscópio (Keysight Infiniium S), todas as operações podem ser concluídas em apenas alguns minutos.

O Picotest fornece uma variedade de soluções agrupadas para otimizar, testar e solucionar problemas de integridade de energia, como jitter de clock, e oferece suporte a vários instrumentos e domínios de medição. O recém-lançado gerador harmônico comb J2150A é usado em conjunto com a ponta de prova de 2100 porta P1A. Embora seja poderoso, é apenas uma solução.