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Analyse de l'intégrité de l'alimentation dans un réseau de distribution d'alimentation

Les réseaux de distribution d'alimentation doivent fournir de nombreux rails d'alimentation DC faible bruit pour des charges sensibles telles que les microprocesseurs, les DSP, les FPGA et les ASIC. La recherche d'une vitesse et d'une densité supérieures va de pair avec des vitesses de transition, des fréquences, un nombre de rails, des courants supérieurs et des niveaux de tension plus faibles. Les équipes de conception doivent donc chercher à garantir l'intégrité du signal et de l'alimentation.

Les mesures de l'intégrité de l'alimentation permettent de valider le fait que la tension et le courant qui atteignent le point de charge respectent les spécifications du rail d'alimentation en matière de charge dans toutes les conditions de fonctionnement. La mesure du bruit des rails d'alimentation en millivolts à des fréquences de l'ordre du GHz est délicate.

Mesure de l'ondulation haute fréquence sans blocage DC ni charge de vos rails d'alimentation

Les spécifications de bruit des rails d'alimentation peuvent atteindre des plages de fréquences de l'ordre du MHz ou du GHz avec des amplitudes en millivolts.

Un oscilloscope qui offre une faible contribution en matière de bruit et une bande passante élevée peut effectuer ces mesures, mais il demeure difficile d'acheminer le signal dans l'instrument.

Les sondes passives 10X à impédance élevée livrées avec les oscilloscopes peuvent offrir une bande passante suffisante, mais elles atténueront le signal très faible bruit que vous essayez de mesurer. L'oscilloscope amplifiera alors à la fois le bruit du signal et du système de mesure, qui deviendront alors impossibles à différencier.

Les sondes 1X transmettent le signal bruité sans atténuation, mais leur bande passante est limitée à quelques MHz.

Les sondes ou les câbles des lignes de transmission qui utilisent une entrée d'oscilloscope 50 Ω affichent d'excellentes performances en haute fréquence, mais présentent une charge DC importante.

La sonde idéale pour effectuer des mesures de rails d'alimentation présente une impédance DC élevée et se comporte comme une ligne de transmission 50 Ω AC pour les hautes fréquences. Les sondes pour rail d'alimentation telles que les modèles TPR1000 et TPR4000 sont conçues pour résoudre ces problèmes en offrant une bande passante élevée, une atténuation nulle et une charge minimale.

Prise en charge d'alimentations entre 1 V et 48 V ou plus encore

De nombreux FPGA et SoC fonctionnent désormais avec des tensions d'alimentation nettement plus faibles, mais ce ne sont pas les seules tensions d'alimentation à prendre en considération. Les tensions d'alimentation des E/S intégrées peuvent couvrir une dynamique bien plus large que celles des alimentations de la logique principale. Les blocs d'alimentation des régulateurs POL ou des modules régulateurs de tension délivrent généralement une tension nettement supérieure.

Nombre d'oscilloscopes et de sondes permettent d'ajouter un décalage DC, mais ce dernier ne s'avère pas forcément suffisant pour gérer tous les rails d'alimentation de votre système. Et plus les systèmes fonctionnent à une sensibilité élevée (faible nombre de volts par division), plus la dynamique est faible. Le blocage DC est une option, mais cette dernière n'est souvent pas souhaitable (voir ci-dessus).

En plus de répondre aux besoins en matière de fréquence élevée mentionnés ci-dessus, les sondes pour rails d'alimentation telles que les TPR1000 et TPR4000 offrent une dynamique importante afin de gérer une large gamme de tensions.

Minimisez la contribution au bruit de votre système de mesure

Le bruit du système de mesure doit être pris en compte dans la mesure de niveaux de bruit de l'ordre de 10 mV. Comme mentionné plus haut, l'utilisation de sondes 1X ou sans atténuation facilite la tâche des amplificateurs de votre oscilloscope. Le niveau de bruit interne et la résolution de mesure de votre oscilloscope jouent également un rôle essentiel.

Le MSO série 6 comprend également un nouveau front-end extrêmement performant en matière de bruit. Le bruit des voies ouvertes de l'oscilloscope est très faible : 50 μVRMS et 466 μVcrête. Lorsqu'il est associé aux sondes pour rail d'alimentation TPR1000/4000, le niveau de bruit du système est réduit à 70 μVRMS.

La série 6 offre une résolution de 12 bits à 12,5 G éch./s. Une fonction haute résolution permet de passer à une résolution de 16 bits à 625 M éch./s et au-delà. Les MSO des séries 4 et 5 offrent également une résolution de 12 bits extensible jusqu'à 16 bits en mode haute résolution.

Mesure de l'impédance des réseaux de distribution d'alimentation

Pour les réseaux de distribution d'alimentation qui alimentent des FPGA, des processeurs et d'autres circuits intégrés complexes, les impédances des rails d'alimentation doivent être faibles afin de délivrer des courants élevés en réponse aux demandes qui évoluent rapidement. Cependant, le réseau est conçu pour plusieurs impédances, notamment celles du régulateur de tension, des capacités de découplage et des pistes du circuit imprimé. La commutation haute vitesse utilise une large bande de fréquences et des variations inattendues de l'impédance peuvent générer des modes transitoires ou du bruit supplémentaires. La mesure de l'impédance d'un réseau sur une large plage de fréquences permet de vérifier que le réseau ne génère pas des signaux indésirables.

Les mesures d'impédance du réseau sont généralement effectuées à l'aide d'analyseurs de réseau vectoriels, tels que le TTR500 à deux ports qui fonctionne entre 100 kHz et 6 GHz.

Les oscilloscopes MSO des séries 5 et 6 peuvent mesurer l'impédance des rails d'alimentation jusqu'à 10 Hz en utilisant un logiciel d'analyse, un générateur de signaux (intégré ou de la gamme AFG31000) et un transformateur d'isolement.

Note d’application PWR

Power rail impedance measurement system using 5 or 6 Series MSO oscilloscope

Caractérisation du bruit à l'aide de l'analyse simultanée de spectres et de signaux

Imaginons que vous avez mesuré le bruit du rail d'alimentation et que ce dernier ne respecte pas la spécification. Provient-il d'un convertisseur DC/DC ? Du bloc d'alimentation ? D'une PLL ? D'une horloge ? De la diaphonie ? L'analyse de spectre peut fournir des indices relatifs aux sources de bruit, et ainsi aider à établir des corrélations entre les fréquences du bruit et celles de commutation et des harmoniques.

Un analyseur de spectre tel que le RSA306 connecté à votre rail d'alimentation avec un bloc DC peut vous fournir des informations sur votre bruit.
La fonction FFT de votre oscilloscope est également utile, mais elle utilise l'horloge d'échantillonnage de votre oscilloscope, et ne permet donc pas de visualiser simultanément le spectre et les signaux des tensions. La vue unique offerte par les MSO des séries 4, 5 et 6 fournit des commandes indépendantes pour l'analyseur de spectre. Vous pouvez ainsi observer simultanément des spectres synchronisés dans le domaine temporel et des signaux du domaine fréquentiel.

Note d'application sur l'affichage du spectre

Power rail noise impacts clock and data signal jitter

Noise on power rails often translates into jitter on high-speed data lines. Jitter and power integrity should be analyzed in both the time and frequency domains. Comparing periodic jitter (PJ) frequencies in the TIE spectrum to spurs in the power ripple spectrum is a fast and accurate way to identify signal integrity problems caused by a power distribution network (PDN). This type of analysis requires an oscilloscope with good spectrum analysis capability as well as good jitter analysis.

Learn about using mixed signal oscilloscopes to diagnose jitter caused by power integrity problems

Des mesures de rails d'alimentation plus rapides grâce au logiciel d'analyse automatique

Même des mesures simples telles que celles de l'ondulation, des suroscillations et des sous-oscillations sur des dizaines de rails d'alimentation prennent du temps et imposent de prêter attention aux détails.

Les MSO des séries 5 et 6 sont fournis avec le logiciel Digital Power Management qui permet d'automatiser ces mesures répétitives et de générer des rapports détaillés. Le logiciel analyse également la gigue (TIE, RJ, DJ et diagramme de l'œil) pour rechercher les excès de gigue sur les signaux d'horloge et de communication alimentés par votre réseau de distribution d'alimentation.

Power Integrity Analysis
Reference System

6 Series B MSO
Recommended for exceptionally low noise, 12-bit resolution, and up to 8 channels. From 1 to 10 GHz. Built-in arbitrary/function generator (AFG) recommended for impedance measurements

Noise Analysis

  • DPM software
    Optional analysis software automates ripple, overshoot, under-shoot, turn-on, turn-off, time-trend, settling time, and jitter measurements

  • TPR Power Rail Probes
    Low noise and high offset range at up to 4 GHz with DC offset  ranging from -60 to +60 Vdc

Impedance Analysis

  • PWR software
    Optional analysis software automates power quality, harmonics, amplitude, timing, switching loss, magnetic analysis, and frequency response analysis (control loop analysis, PSRR and impedance) measurements

  • Active Splitter (e.g Picotest J2161A, not shown)
    Splits signal from oscilloscope’s AFG into an oscilloscope input channels and into the power rail under test.

  • Common Mode Transformer (e.g. Picotest J2102B-BNC, not shown)
    Eliminates ground loop error in 2-port shunt-through impedance measurements.

6 Series MSO with two TPR4000 Power Rail Probes