El ruido de la red de distribución de energía (PDN) es uno de los problemas más comunes en las aplicaciones de baja potencia. Ya sea que esté alimentando ADC, relojes, LNA, redes de datos digitales o aplicaciones de RF sensibles, el acondicionamiento adecuado de su fuente de alimentación es primordial.
steve sandler
prueba pico
Identifique rápidamente las sensibilidades de PDN en su circuito, incluida la ubicación de las fuentes de fluctuación del reloj, utilizando una solución simple basada en sondas.
El ruido de la red de distribución de energía (PDN) es uno de los problemas más comunes en las aplicaciones de baja potencia. Ya sea que esté alimentando ADC, relojes, LNA, redes de datos digitales o aplicaciones de RF sensibles, el acondicionamiento adecuado de su fuente de alimentación es primordial. Estos circuitos sensibles pueden verse interrumpidos por el ruido de la fuente de alimentación de unos pocos milivoltios o menos. Esta extrema sensibilidad e interacción entre las fuentes de alimentación, las redes de distribución y las cargas a menudo requieren la resolución de problemas de la fuente de alimentación.
Debido a la interacción entre la fuente y las impedancias de carga, la solución de problemas debe realizarse en el circuito, a menudo con un acceso físico muy limitado. Como resultado, esto puede ser un proceso lento.
Incluso para circuitos que parecen funcionar perfectamente, generalmente es recomendable evaluar la sensibilidad de la fuente de alimentación. Esta es la mejor manera de identificar problemas potenciales que pueden surgir como resultado de las tolerancias ambientales y operativas.
Esta aplicación de muestra muestra algunas herramientas de prueba simples que combinan analizadores de espectro y de red para ayudar a investigar las fuentes de ruido de la fuente de alimentación.
La figura 1 muestra la placa de demostración de formación Picotest VRTS3. Contiene varios circuitos de ejemplo y admite muchos tipos de medidas.
Uno de estos circuitos de ejemplo es un reloj de 125 MHz (OSC401) alimentado por un regulador de voltaje de caída baja (LDO) (U301). Se puede usar un interruptor DIP de 4 posiciones (S301) para conectar o desconectar 4 capacitores de salida diferentes al LDO para cambiar la estabilidad de la fuente de alimentación.
El esquema de la Figura 2 muestra un regulador lineal LDO (LT1086) que alimenta un oscilador de reloj de 125 MHz OSC401 a través de un interruptor deslizante (SEL1). Cabe destacar el condensador de desacoplamiento C402 de 0,01 uF (a la derecha).

Un generador de peine armónico de banda ancha y una sonda de línea de transmisión pasiva de 1 puerto hacen que sea fácil y rápido determinar la sensibilidad al ruido de su fuente de alimentación.
El peine armónico J2150A proporciona una fuente de ruido de banda ancha con una impedancia de salida de 50 Ω. Está contenido en un factor de forma de “memoria USB” ultraportátil. Los peines armónicos proporcionan ruido en un rango de frecuencia de 1 kHz a más de 1 GHz en tres rangos de frecuencia. El rango se centra alrededor de 1kHz, 100kHz y 8MHz. Los armónicos se producen alterando el tiempo y la frecuencia del impulso de salida. Los peines pueden pasar a través de estos rangos automáticamente o bloquearse en un solo rango de frecuencia. La mayoría de los dispositivos tienen algunos puertos USB sin usar, pero para una solución portátil, también pueden alimentarse con una batería de respaldo típica de un teléfono celular.
Por lo general, se incluye un bloque de CC de banda ancha entre el inyector de peine y la sonda para aislar la impedancia de CC de 50 Ω del circuito bajo prueba. El espectro del reloj se ve en un osciloscopio con la opción de analizador de espectro, un analizador de fuente de señal o un analizador de espectro. La estabilidad del regulador de voltaje y la impedancia de distribución pueden verse fácilmente como bandas laterales o fluctuaciones en el espectro del reloj.

Las sondas de línea de transmisión Picotest son únicas y proporcionan conexiones bidireccionales de 50 ohmios con ganancia unitaria a una amplia variedad de equipos para sondear redes de distribución de energía con un cómodo cabezal estilo navegador. Esto le permite usar la sonda para inyectar una señal como en este ejemplo, o usar la misma sonda para medir el ruido. La conexión de la sonda es un conector SMA común de 50 Ω que se puede conectar a la mayoría de los equipos.
En este ejemplo, el peine armónico usa una sonda de 1 puerto para inyectar una señal de banda ancha en la tapa de desacoplamiento del reloj (C402), como se muestra en la Figura 4. El espectro del reloj se monitorea en el conector SMA J3.

Si movemos el punto de inyección de ruido al regulador lineal (mismo trazo de PCB, pero aguas abajo del reloj), podemos ver que el ruido de la banda lateral del reloj en la Figura 7 es mucho más pequeño a -45dBc. Esta información indica que existe una resonancia entre el regulador y el reloj. La resonancia consiste en la inductancia de traza de la placa de circuito impreso y el condensador de desacoplamiento C402.

Una vez identificada la resonancia en el reloj, se puede calcular la impedancia característica de la conexión de la placa de circuito impreso utilizando el valor del condensador de desacoplamiento (10 nF) y la frecuencia de resonancia de 7,5 MHz (7,5 MHz). La impedancia característica se puede calcular como 1/(2*PI*7,5 MHz*10 nF), que en este caso es 2,1 Ω. Al colocar el interruptor SEL1 en la posición central (APAGADO), se inserta una resistencia de 2,4 Ω (R305) entre el regulador lineal y el reloj para amortiguar la resonancia. La eliminación de las bandas laterales del espectro del reloj de 7 MHz que se ve en la Figura 8 confirma que la resonancia se ha amortiguado de manera efectiva al aumentar la resistencia en serie entre el regulador lineal y el reloj.

Las resonancias y los efectos de amortiguación se pueden ver fácilmente midiendo la impedancia de los condensadores de desacoplamiento del reloj con un analizador de red vectorial (VNA). La Figura 9 muestra los resultados medidos para dos condensadores de salida de reguladores lineales diferentes y la inserción de R305.

Las bandas laterales pueden no parecer demasiado serias, pero pueden tener un gran impacto en el rendimiento. Primero, observe que las bandas laterales en la Figura 3 aparecen a 6 MHz. Por otro lado, hemos determinado que la resonancia de la PCB es de 7,5 MHz. En segundo lugar, las mediciones de la Figura 9 muestran que a 6 MHz la impedancia está unos 5 dB por debajo del pico de 7,5 MHz y a 9 MHz la impedancia está unos 15 dB por debajo del pico de 7,5 MHz.

Entonces, ¿qué provocó la resonancia? La placa de demostración VRTS3 también tiene un regulador de punto de carga (POL) de conmutación de 2,8 MHz. Los armónicos segundo y tercero están lo suficientemente cerca del pico resonante para contribuir con el ruido del reloj. Se incluye un interruptor de habilitación en el tablero de entrenamiento VRTS3 para este propósito, de modo que la frecuencia de conmutación POL pueda verse como un generador de ruido. Cuando el regulador de conmutación se apaga, las bandas laterales del reloj de 6 MHz desaparecen. Esto también muestra claramente por qué desea examinar el circuito, incluso si parece funcionar.

La frecuencia de funcionamiento del regulador de conmutación tiene una tolerancia de 750 kHz y también la del condensador de desacoplamiento. Estas tolerancias pueden cambiar fácilmente el segundo armónico del regulador de conmutación para que ocurra exactamente en la frecuencia de los picos de impedancia, aumentando significativamente el ruido del reloj. Si bien esta alineación de frecuencia rara vez ocurre en las pruebas nominales, es mucho más probable que esta encuesta de PDN le informe sobre su potencial.
En resumen, identificamos rápidamente las sensibilidades en el PDN que conducen a un aumento de la fluctuación del reloj. Solucioné el problema fácilmente identificando el ruido, identificando su fuente e impedancia característica, y aplanando la impedancia del riel de alimentación con el reloj. Hicimos todo esto en solo unos minutos usando un generador de peine armónico portátil (Picotest J2150A), una sonda portátil de 1 puerto (Picotest P2100A) y un osciloscopio (Keysight Infiniium S).
Picotest ofrece múltiples soluciones integradas para optimizar, probar y solucionar problemas de integridad de la energía, como la fluctuación del reloj, y es compatible con una amplia variedad de instrumentos y dominios de medición. El generador de peine armónico J2150A presentado recientemente combinado con la sonda de 1 puerto P2100A, aunque potente, es solo una solución.