基于探頭的快速識別PDN在線敏感度解決方案

作者：史蒂夫·桑德勒（Steve Sandler）

使用簡單的基于探頭的解決方案，可以快速識別PDN在線敏感度，包括時鐘抖動源位置。

配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）噪聲是低功耗應(yīng)用中最常見的問題之一。無論您是為ADC，時鐘，LNA，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)還是敏感的RF應(yīng)用供電，正確調(diào)整電源都是至關(guān)重要的。這些敏感電路可能會受到幾毫伏甚至更低的電源噪聲的干擾。由于這種極端的敏感性以及電源，配電網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載之間的相互作用，因此經(jīng)常需要對電源進(jìn)行故障排除。

由于源阻抗和負(fù)載阻抗之間的相互作用，故障排除必須在電路中執(zhí)行，并且物理訪問通常非常有限。結(jié)果，這可能是一個耗時的過程。

即使在功能似乎完整的電路中，通常也要評估電源的靈敏度。這是識別由于操作和環(huán)境容忍而可能出現(xiàn)的潛在問題的最佳方法。

在此示例應(yīng)用程序中，我們將演示一些簡單的測試工具，這些工具將與您的頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀配合使用，以幫助支持電源噪聲源調(diào)查。

圖1顯示了Picotest VRTS3培訓(xùn)演示板，其中包括各種示例電路，支持多種類型的測量。

圖1：Picotest VRTS3培訓(xùn)演示板，顯示了LDO和時鐘布局。

這些示例電路之一是一個125 MHz時鐘（OSC401），由低壓差（LDO）穩(wěn)壓器（U301）供電?？梢允褂盟奈恢肈IP開關(guān)（S301）將四個不同的輸出電容器與LDO連接或斷開，從而改變電源的穩(wěn)定性。

圖2的電路原理圖顯示了LDO線性穩(wěn)壓器（LT1086），該線性穩(wěn)壓器通過滑動開關(guān)（SEL1）為125 MHz時鐘振蕩器OSC401供電。值得注意的是0.01 uF的去耦電容C402（在右側(cè)）。

圖2：LDO和時鐘電路

使用寬帶諧波梳狀發(fā)生器和一個1端口無源傳輸線探頭，可以快速輕松地實現(xiàn)電源噪聲靈敏度的識別。

J2150A諧波梳提供了具有50Ω輸出阻抗的寬帶噪聲源。它包含在超便攜式USB“棒”形中。諧波梳在三個頻率范圍內(nèi)在1kHz至1GHz以上的頻率范圍內(nèi)提供噪聲。范圍以1kHz，100kHz和8MHz為中心。諧波是由輸出脈沖的時間和頻率抖動產(chǎn)生的。梳子可以自動跨過這些范圍，也可以鎖定在單個頻率范圍內(nèi)。盡管大多數(shù)儀器都有幾個未使用的USB端口，但梳子也可以通過流行的手機(jī)備用電池供電，以提供便攜式解決方案。

梳狀注射器和探頭之間通常包含一個寬帶DC模塊，以便將50ΩDC阻抗與被測電路隔離開。在帶有頻譜分析儀選件，信號源分析儀或頻譜分析儀的示波器上可以查看時鐘頻譜。電壓調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性和分布阻抗很容易在時鐘頻譜中視為邊帶或抖動。

圖3：此示波器頻譜圖中突出顯示了大約6 MHz處的時鐘雜散。這些支線用于演示一種簡單而快速的故障排除技術(shù)。

Picotest傳輸線探頭具有獨特性，可通過各種舒適的瀏覽器式探頭來為各種儀器提供單位增益，雙向50Ω連接，以探測配電網(wǎng)絡(luò)。如本例所示，這允許探頭用于注入信號，或使用同一探頭測量噪聲。探頭連接是通用的50ΩSMA連接器，可以連接到大多數(shù)儀器。

在此示例中，諧波梳狀結(jié)構(gòu)使用1-Port探頭將寬帶信號注入時鐘的去耦帽（C402），如圖4所示。在SMA連接器J3上監(jiān)視時鐘的頻譜。

圖4：簡單但有效的工具支持PDN查詢和時鐘抖動評估。其中包括一個J2150A諧波梳狀寬帶信號發(fā)生器（左），以及一個1端口（中央）和2端口雙向50Ω無源探頭和DC隔離器（左側(cè)）。

將噪聲注入點移至線性穩(wěn)壓器（與印刷電路板走線相同，但位于時鐘下游），我們注意到，圖7中在-45dBc處，時鐘邊帶噪聲要小得多。該信息告訴我們，諧振器在調(diào)節(jié)器和時鐘之間。諧振包括印刷電路板走線的電感和去耦電容器C402。

圖5：J2150A諧波梳（圖3中的插圖）通過P2130A直流阻斷器連接到1端口探頭，并用于將信號注入C402（125MHz時鐘振蕩器的VDD）。在SMA連接器J3上監(jiān)視時鐘頻譜。

將諧振定位在時鐘上，我們可以使用去耦電容器（10 nF）的值和7.5 MHz諧振頻率（7.5 MHz）來計算PCB連接的特性阻抗。可以將特性阻抗計算為1 /（2 * PI * 7.5 MHz * 10 nF），在這種情況下為2.1Ω。將SEL1開關(guān)置于中心（OFF）位置會在線性穩(wěn)壓器和時鐘之間插入一個2.4Ω電阻（R305），以抑制諧振。如圖8所示，消除了7MHz時鐘頻譜邊帶，這表明通過增加線性穩(wěn)壓器和時鐘之間的串聯(lián)電阻，可以有效地抑制諧振。

圖6：使用梳狀搜索模式信號集的PDN查詢顯示出大約7.5MHz的諧振，如在時鐘基本頻率周圍的頻譜邊帶中所見。請注意，峰值約為-30 dBc。

通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）測量時鐘的去耦電容器的阻抗，可以輕松確認(rèn)諧振和阻尼效果。圖9顯示了兩個不同的線性穩(wěn)壓器輸出電容器以及R305的插入的測量結(jié)果。

圖7：通過在PDN內(nèi)的不同位置注入噪聲，可以快速定位噪聲源。請注意，邊帶比圖6低了約15dB。這告訴我們諧振是在時鐘而不是在穩(wěn)壓器處發(fā)生的。

盡管邊帶看上去并不那么嚴(yán)重，但它們會顯著影響性能，遠(yuǎn)比其他方面要嚴(yán)重得多。首先，請注意，圖3中的邊帶出現(xiàn)在6 MHz，而我們確定PCB諧振在7.5 MHz。其次，圖9中的測量結(jié)果表明，在6 MHz時，阻抗比7.5 MHz峰值處的阻抗約低5 dB，在9 MHz時，阻抗比7.5 MHz峰值處的阻抗約低15 dB。

圖8：通過在調(diào)節(jié)器和時鐘之間插入串聯(lián)電阻消除了7MHz時鐘邊帶，從而抑制了PCB諧振。

那么，是什么激發(fā)了共鳴呢？VRTS3演示板上還提供了一個2.8 MHz開關(guān)負(fù)載點（POL）調(diào)節(jié)器。2次和3次諧波足夠接近諧振峰值以產(chǎn)生時鐘噪聲。我們可以將POL開關(guān)頻率確定為噪聲發(fā)生器，因為為此目的在VRTS3訓(xùn)練板上包括了一個使能開關(guān)。如果關(guān)閉開關(guān)穩(wěn)壓器，則6MHz的時鐘邊帶將消失。這也清楚地說明了為什么我們要詢問該電路，即使該電路似乎正常工作。

圖9：在兩個不同的線性穩(wěn)壓器輸出電容器（通過開關(guān)S301選擇）中，可以清楚地看到7.5 MHz諧振（紅色，藍(lán)色軌跡）。插入2.4Ω電阻可抑制諧振（綠色走線），從而將7.5MHz處的阻抗降低約15 dB。

開關(guān)穩(wěn)壓器的工作頻率具有750 kHz的容差，而去耦電容器也具有容差。這些容差可以輕松地將開關(guān)調(diào)節(jié)器的二次諧波移至恰好出現(xiàn)在阻抗峰值的頻率處，從而顯著增加時鐘噪聲。雖然您不太可能在標(biāo)稱測試中看到這種頻率對準(zhǔn)，但您更有可能通過此PDN詢問了解其頻率對準(zhǔn)。

總而言之，我們迅速確定了PDN靈敏度，從而導(dǎo)致時鐘抖動增加。我們確定了噪聲，確定了噪聲源和特性阻抗，并通過在時鐘處展平了電源軌阻抗，輕松地糾正了該問題。使用高度便攜式的諧波梳狀發(fā)生器（Picotest J2150A），手持式1端口探頭（Picotest P2100A）和示波器（Keysight Infiniium S），只需幾分鐘即可完成所有操作。

Picotest提供了多種捆綁式解決方案，用于優(yōu)化，測試和故障排除電源完整性問題，例如時鐘抖動，并支持各種儀器和測量域。最近推出的J2150A諧波梳狀發(fā)生器與P2100A 1端口探頭搭配使用，雖然功能強(qiáng)大，但僅是一個解決方案。

編輯：hfy