Используя простое решение на основе пробников, вы можете быстро определить онлайн-чувствительность PDN, включая местоположение источника джиттера тактового сигнала.
Шум в сети распределения электроэнергии (PDN) - одна из наиболее распространенных проблем в приложениях с низким энергопотреблением. Если вы подаете питание на АЦП, тактовые генераторы, малошумящие усилители, цифровые сети передачи данных или чувствительные ВЧ-приложения, правильная настройка источника питания имеет решающее значение. Эти чувствительные цепи могут быть нарушены шумом источника питания в несколько милливольт или ниже. Из-за этой чрезвычайной чувствительности и взаимодействия между источником питания, распределительной сетью и нагрузкой часто необходимо устранять неисправности источника питания.
Из-за взаимодействия между импедансом источника и импедансом нагрузки поиск и устранение неисправностей должен выполняться в схема, а физический доступ обычно очень ограничен. В результате это может занять много времени.
Даже в схемах, которые кажутся полностью работоспособными, обычно оценивается чувствительность источника питания. Это лучший способ определить потенциальные проблемы, которые могут возникнуть из-за эксплуатации и устойчивости к окружающей среде.
В этом примере приложения мы продемонстрируем несколько простых инструментов тестирования, которые будут использоваться вместе с анализатором спектра и цепей, чтобы помочь в исследовании источников шума источника питания.
На рисунке 1 показана обучающая демонстрационная плата Picotest VRTS3, которая включает в себя множество примеров схем для поддержки нескольких типов измерений.
Рисунок 1: Учебная демонстрационная плата Picotest VRTS3, показывающая расположение LDO и часов.
Одной из таких схем является тактовый генератор 125 МГц (OSC401), работающий от низкого падения напряжения (LDO). регулятор (У301). Четырехпозиционный DIP-переключатель (S301) можно использовать для подключения или отключения четырех различных выходов. Конденсаторы с LDO для изменения стабильности источника питания.
Принципиальная схема на рисунке 2 показывает линейный стабилизатор LDO (LT1086), который подает питание на тактовый генератор OSC125 с частотой 401 МГц через ползунковый переключатель (SEL1). Стоит отметить, что развязка 0.01 мкФ. конденсатор С402 (справа).
Рисунок 2: LDO и схема синхронизации
Использование широкополосного гребенчатого генератора гармоник и однопортового пассивного пробника линии передачи позволяет быстро и легко определить чувствительность источника питания к шуму.
Гребенка гармоник J2150A обеспечивает источник широкополосного шума с выходным сопротивлением 50 Ом. Он заключен в ультрапортативный USB-накопитель. Гармонические гребенки обеспечивают шум в диапазоне частот от 1 кГц до более 1 ГГц в трех частотных диапазонах. Диапазон центрирован на 1 кГц, 100 кГц и 8 МГц. Гармоники генерируются дрожанием частоты и времени выходного импульса. Гребенка может автоматически перекрывать эти диапазоны или может быть заблокирована в одном частотном диапазоне. Хотя у большинства инструментов есть несколько неиспользуемых USB-портов, гребенка также может питаться от популярного резервного аккумулятора сотового телефона, что делает его портативным.
Широкополосный DC модуль обычно включается между гребенчатым инжектором и зондом для изоляции импеданса постоянного тока 50 Ом от тестируемой цепи. Спектр тактового сигнала можно просмотреть на осциллографе с помощью дополнительного анализатора спектра, анализатора источника сигнала или анализатора спектра. Стабильность и распределенное сопротивление напряжение Регулятор можно легко увидеть как боковые полосы или джиттер в тактовом спектре.
Рисунок 3: На этой спектрограмме осциллографа выделяется импульс тактовой частоты примерно на 6 МГц. Эти ветви используются для демонстрации простой и быстрой техники устранения неполадок.
Зонд линии передачи Picotest уникален. Он может обеспечивать единичное усиление и двухстороннее соединение 50 Ом для различных приборов с помощью различных удобных браузерных пробников для обнаружения сетей распределения питания. Как показано в этом примере, это позволяет использовать пробник для ввода сигнала или использовать тот же пробник для измерения шума. Для подключения датчика используется универсальный SMA-разъем 50 Ом, который можно подключать к большинству приборов.
В этом примере структура гармонической гребенки использует однопортовый пробник для ввода широкополосных сигналов в развязывающий колпачок (C1) тактовых импульсов, как показано на рисунке 402. Следите за частотным спектром тактовых импульсов на разъеме SMA J4.
Рисунок 4: Простой, но эффективный инструмент, поддерживающий запрос PDN и оценку джиттера часов. Он включает в себя генератор широкополосного сигнала с гармонической гребенкой J2150A (слева), а также двунаправленный пассивный пробник на 1 Ом с 2 и 50 портами и изолятор постоянного тока (слева).
Переместив точку ввода шума на линейный регулятор (то же самое, что и след на печатной плате, но расположенный ниже по потоку от часов), мы заметили, что при -45dBc на рисунке 7 шум боковой полосы часов намного меньше. Эта информация говорит нам, что резонатор находится между регулятором и часами. Резонанс включает индуктивность дорожек печатной платы и разделительный конденсатор C402.
Рисунок 5: Гребенка гармоник J2150A (вставка на рисунке 3) подключена к однопортовому пробнику через блокиратор постоянного тока P1A и используется для ввода сигнала в C2130 (VDD тактового генератора 402 МГц). Следите за тактовым спектром на SMA-разъеме J125.
Поместив резонанс на часы, мы можем использовать значение разделительного конденсатора (10 нФ) и резонансную частоту 7.5 МГц (7.5 МГц) для расчета характеристического импеданса соединения печатной платы. Характеристический импеданс можно рассчитать как 1 / (2 * PI * 7.5 МГц * 10 нФ), что в данном случае составляет 2.1 Ом. При установке переключателя SEL1 в центральное положение (ВЫКЛ.) Вставляется сопротивление 2.4 Ом. резистор (R305) между линейным регулятором и часами для подавления резонанса. Как показано на рисунке 8, боковые полосы частотного диапазона 7 МГц удалены, что показывает, что резонанс можно эффективно подавить, увеличив последовательное сопротивление между линейным регулятором и часами.
Рисунок 6: Запрос PDN с использованием набора сигналов шаблона поиска гребенки показывает резонанс приблизительно 7.5 МГц, как видно на спектральных боковых полосах вокруг основной частоты тактовых импульсов. Обратите внимание, что пиковое значение составляет примерно -30 дБн.
Используя векторный анализатор цепей (ВАЦ) для измерения импеданса развязывающего конденсатора часов, можно легко подтвердить эффекты резонанса и демпфирования. На рисунке 9 показаны результаты измерений двух различных выходных конденсаторов линейного регулятора и вставки R305.
Рис. 7. Введение шума в различные места в пределах PDN позволяет быстро определить местонахождение источника шума. Обратите внимание, что боковая полоса примерно на 15 дБ ниже, чем на рисунке 6. Это говорит нам о том, что резонанс возникает на тактовой частоте, а не на регуляторе.
Хотя боковые полосы не кажутся такими серьезными, они могут значительно повлиять на производительность, гораздо более серьезную, чем другие аспекты. Во-первых, обратите внимание, что боковая полоса на рисунке 3 отображается на частоте 6 МГц, и мы определили, что резонанс печатной платы находится на частоте 7.5 МГц. Во-вторых, результаты измерений на рисунке 9 показывают, что на 6 МГц полное сопротивление примерно на 5 дБ ниже, чем полное сопротивление на пике 7.5 МГц, а на 9 МГц полное сопротивление примерно на 15 дБ ниже, чем полное сопротивление на пике 7.5 МГц. .
Рисунок 8: Боковая полоса тактовой частоты 7 МГц устранена путем вставки последовательного резистора между регулятором и часами, тем самым подавляя резонанс печатной платы.
Так что же вызвало резонанс? На демонстрационной плате VRTS2.8 также имеется регулятор точки переключения нагрузки (POL) 3 МГц. Вторая и третья гармоники достаточно близки к резонансному пику, чтобы генерировать тактовый шум. Мы можем определить частоту переключения POL в качестве генератора шума, поскольку для этой цели на учебной плате VRTS3 имеется переключатель включения. Если импульсный регулятор выключен, боковая полоса тактового сигнала 6 МГц исчезнет. Это также ясно объясняет, почему мы спрашиваем о схеме, хотя схема, кажется, работает правильно.
Рисунок 9: В двух разных выходных конденсаторах линейного регулятора (выбранных переключателем S301) можно отчетливо увидеть резонанс 7.5 МГц (красный, синий график). Установка резистора 2.4 Ом может подавить резонанс (зеленая кривая), тем самым уменьшив импеданс на частоте 7.5 МГц примерно на 15 дБ.
Рабочая частота импульсного стабилизатора имеет допуск 750 кГц, а разделительный конденсатор также имеет допуск. Эти допуски позволяют легко сместить вторую гармонику импульсного регулятора на частоту, которая появляется на пике импеданса, тем самым значительно увеличивая тактовый шум. Хотя вы вряд ли увидите это частотное выравнивание в номинальном тесте, вы, скорее всего, узнаете о его частотном выравнивании через этот запрос PDN.
В итоге мы быстро определили чувствительность PDN, что привело к увеличению джиттера часов. Мы определили шум, определили источник шума и характеристический импеданс и легко устранили проблему, выровняв импеданс шины питания на часах. Используя портативный генератор гребенчатых гармоник (Picotest J2150A), портативный однопортовый пробник (Picotest P1A) и осциллограф (Keysight Infiniium S), все операции можно выполнить всего за несколько минут.
Picotest предоставляет множество комплексных решений для оптимизации, тестирования и устранения проблем с целостностью питания, таких как джиттер часов, и поддерживает различные инструменты и области измерения. Недавно выпущенный генератор гребенчатых гармоник J2150A используется вместе с однопортовым пробником P2100A. Хотя это мощно, это всего лишь решение.