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。

配電網絡（PDN）噪聲是低功耗應用中最常見的問題之一。無論您是為ADC，時鐘，LNA，數字數據網絡還是敏感的RF應用供電，正確調整電源都是至關重要的。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，配電網絡和負載之間的相互作用，因此經常需要對電源進行故障排除。

由于源阻抗和負載阻抗之間的相互作用，故障排除必須在電路中執行，并且物理訪問通常非常有限。結果，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境容忍而可能出現的潛在問題的最佳方法。

在此示例應用程序中，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絡分析儀配合使用，以幫助支持電源噪聲源調查。

圖1顯示了Picotest VRTS3培訓演示板，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）穩壓器（U301）供電。可以使用四位置DIP開關（S301）將四個不同的輸出電容器與LDO連接或斷開，從而改變電源的穩定性。

圖2的電路原理圖顯示了LDO線性穩壓器（LT1086），該線性穩壓器通過滑動開關（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）。

圖2：LDO和時鐘電路

使用寬帶諧波梳狀發生器和一個1端口無源傳輸線探頭，可以快速輕松地實現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在1kHz至1GHz以上的頻率范圍內提供噪聲。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。盡管大多數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。電壓調節器的穩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。

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，以探測配電網絡。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，可以連接到大多數儀器。

在此示例中，諧波梳狀結構使用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）。

將噪聲注入點移至線性穩壓器（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，諧振器在調節器和時鐘之間。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開關置于中心（OFF）位置會在線性穩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壓器和時鐘之間的串聯電阻，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。

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

圖7：通過在PDN內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壓器處發生的。

盡管邊帶看上去并不那么嚴重，但它們會顯著影響性能，遠比其他方面要嚴重得多。首先，請注意，圖3中的邊帶出現在6 MHz，而我們確定PCB諧振在7.5 MHz。其次，圖9中的測量結果表明，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：通過在調節器和時鐘之間插入串聯電阻消除了7MHz時鐘邊帶，從而抑制了PCB諧振。

那么，是什么激發了共鳴呢？VRTS3演示板上還提供了一個2.8 MHz開關負載點（POL）調節器。2次和3次諧波足夠接近諧振峰值以產生時鐘噪聲。我們可以將POL開關頻率確定為噪聲發生器，因為為此目的在VRTS3訓練板上包括了一個使能開關。如果關閉開關穩壓器，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壓器輸出電容器（通過開關S301選擇）中，可以清楚地看到7.5 MHz諧振（紅色，藍色軌跡）。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。

開關穩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調節器的二次諧波移至恰好出現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稱測試中看到這種頻率對準，但您更有可能通過此PDN詢問了解其頻率對準。

總而言之，我們迅速確定了PDN靈敏度，從而導致時鐘抖動增加。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諧波梳狀發生器與P2100A 1端口探頭搭配使用，雖然功能強大，但僅是一個解決方案。

編輯：hfy