In der Elektronikindustrie erzwingen reduzierter Stromverbrauch und erhöhte Datenraten weiterhin niedrigere Stromschienenspannungen. Entsprechend diesen niedrigeren Amplituden werden strengere Spezifikationen für Netzteile und zugeführte Leistung angewendet. Oszilloskope bleiben ein wertvolles Werkzeug zum Messen von Stromschieneneigenschaften wie Einschwingverhalten und Drift, sowohl periodisch als auch sporadisch. Für diese Messungen stehen verschiedene Sondenoptionen zur Verfügung, von Sperrkondensatoren bis hin zu aktiven Sonden, jede mit Vor- und Nachteilen. Auch die physikalische Verbindung der Sonde kann die Qualität der Messung beeinflussen. Eingangslast, Rauschen und Offset sind wichtige Aspekte beim Testen von Gleichstromversorgungen. Das Verständnis und die Bewertung dieser Sondierungsfaktoren ist entscheidend, um die beste Signalintegrität (SI) zu erhalten.
Auf den ersten Blick erscheinen DC-Stromversorgungen wie einfache Komponenten in der ständig wachsenden Komplexität der heutigen Elektronikwelt. Da Mikroprozessoren und HF-Chips jedoch weiterhin ihren Stromverbrauch reduzieren und ihre Datenraten erhöhen, steigt die Nachfrage nach Schaltkreisen, um sie mit Strom zu versorgen. Eine Quelle muss unabhängig von ihrer variablen Last stabile und genaue Spannung und Strom liefern. Entwickler von Spannungsschienen stehen unter dem Druck, Spannungstoleranzen zu verschärfen und unerwünschte Signale von ihren Quellen zu entfernen. Die genaue Messung von Eigenschaften wie PARD, Rauschen und dynamischer Reaktion ist bei heutigen Stromversorgungsdesigns von entscheidender Bedeutung. Entwickler von Stromversorgungen in fast allen Elektronikbranchen verwenden Oszilloskope, um Schwankungen der Stromschienen im Laufe der Zeit anzuzeigen. Da diese Schwankungen oft kleine Amplituden bis zu mehreren zehn Millivolt haben, kann das Messen einer Stromschiene mit einem Oszilloskop-Tastkopf schwierig sein. Oszilloskop- und Sondenrauschen können das Signal maskieren, und eine unzureichende physische Verbindung kann die gesamte Messung beeinträchtigen.
Die Anforderungen zum Prüfen einer Stromschiene sind im Wesentlichen die gleichen wie für jedes andere Signal, wenn auch mit einigen wesentlichen Unterschieden. Lärm, Last und Versatz sind die Hauptprobleme. Wie bei den meisten Sonden ist eine möglichst geringe Belastung der Sonde wünschenswert, obwohl die Belastung bei niedrigen Frequenzen beim Messen von Quellen wichtig ist. Stromschienen sind weniger empfindlich gegenüber Sondenbelastung, da sie tendenziell eine niedrige Quellenimpedanz aufweisen. Wie bei anderen Signalen ist jedoch bei niedrigen Frequenzen, insbesondere bei Gleichstrom, eine minimale Sondenbelastung wünschenswert, damit die Sonde keinen nennenswerten Strom von der Quelle zieht.
Um kleine Spannungen genau zu messen, ist Rauschen wahrscheinlich das größte Problem beim Messen von Stromschienen. Obwohl die DC-Spannung einer Quelle eine grundlegende Messung sein kann, ist der Ausgang der Quelle kein perfekter DC. AC-Rauschen und transiente Reaktionen auf variable Lasten sind die Hauptanliegen bei der Analyse von Stromschienen. Spezifikationen wie PARD müssen in Echtzeit gemessen werden, daher ist ihre Mittelwertbildung nicht praktikabel. Um die Welligkeits- und Rauscheigenschaften der Quelle genau zu quantifizieren, muss das durch die Oszilloskopmessung erzeugte Rauschen minimiert werden. Das Verständnis, welches Rauschen durch die Messung selbst hinzugefügt wird, wie z. B. Oszilloskoprauschen oder Sondendämpfung, ist entscheidend, um optimale Messungen zu erhalten.
Schließlich kann der Tastkopf-Offsetbereich eine Schlüsselrolle bei der Minimierung von Rauschen spielen. Um die Quelle bei den niedrigsten Rauscheinstellungen eines Oszilloskops zu messen, benötigt der Tastkopf einen geeigneten Offset-Bereich. Durch Anpassung des Tastkopf-Offsets an die Gleichspannung der Quelle ist es möglich, das Signal bei maximalem Zoom auf dem Oszilloskop-Bildschirm zu zentrieren; Daher hat das Oszilloskop normalerweise keine Dämpfung und bietet daher so wenig Rauschen wie möglich. Ein großer Offset-Bereich ermöglicht eine gründliche Inspektion verschiedener Quellen, unabhängig von der Gleichspannung.
Es gibt mehrere Sondierungsoptionen zum Messen von Stromversorgungsschienen auf einem Oszilloskop. Keine Methode ist perfekt und alle haben Vor- und Nachteile. Die vielleicht gebräuchlichste Technik ist die Verwendung eines Sperrkondensators oder des AC-Kopplungsmodus auf dem Oszilloskop. Auf diese Weise kann die Schiene direkt mit einem Kabel an einem 50-Ω-Eingang abgetastet werden. Der Hauptvorteil dieser Methode besteht darin, dass das Oszilloskop nahezu jede Gleichspannung mit hoher Empfindlichkeit messen kann. Der größte Nachteil ist, dass der Niederfrequenzanteil nicht beobachtbar ist. Entwickler von Netzteilen müssen häufig langsame Schwankungen in langen Transienten analysieren. Wenn die Frequenz der Schwankung unterhalb des Grenzpunkts des Filters liegt, lässt ein Sperrkondensator die Beobachtung dieses Verhaltens nicht zu.
Eine andere übliche Technik besteht darin, die Quelle mit einem 50-Ω-Kabel direkt in den 50-Ω-Kanal des Oszilloskops zu prüfen. Durch Anpassen des Offsets des Oszilloskopkanals an die DC-Spannung kann das Signal mit der minimalen Dämpfung betrachtet werden, wodurch das vom Oszilloskop verursachte Rauschen minimiert wird. Dieses Verfahren ermöglicht auch die Beobachtung von DC-Inhalten und -Frequenzen bis zur Bandbreite des Oszilloskops. Wenn die Bandbreite des Oszilloskops viel größer ist als die interessierenden Frequenzen, sollte die Kanalbandbreite reduziert werden, um das vom Oszilloskop verursachte Rauschen zu minimieren.
Die Verwendung eines 50-Ω-Kabels direkt in den Kanal eines Oszilloskops hat jedoch gewisse Nachteile. Der vielleicht größte ist der begrenzte Offset-Bereich, den das Oszilloskop bei hohen Empfindlichkeiten aufweist. Da die Einstellung für Volt pro Division auf dem Oszilloskopkanal minimiert wird, wird auch der Offset-Bereich reduziert. Wenn das Oszilloskop nicht über einen ausreichenden Offset-Bereich verfügt, um die interessierende DC-Spannung aufzunehmen, besteht die einzige Option darin, das Volt/Teilungsverhältnis zu erhöhen, wodurch das Messrauschen erhöht wird. Ein weiterer großer Nachteil dieser Methode hat mit dem Aufladen zu tun. Die Quelle muss Strom für eine zusätzliche Last von 50 Ω in DC liefern. Je nach Auslegung kann diese zusätzliche Last dazu führen, dass sich die Quelle anders verhält als ohne die 50 Ω DC-Last. In diesem Beispiel kann die 50-Ω-Last eine niedrigere Ausgangsspannung von einem Linearregler verursachen. Im Gegensatz dazu kann dieses Verhalten in Designs mit einem kleineren Spielraum oder größerer Komplexität unvorhersehbarer sein.
Eine weitere verfügbare Option zum Prüfen von Stromversorgungsschienen sind aktive Tastköpfe. Für diese Messung können sowohl unipolare als auch differenzielle aktive Sonden verwendet werden. Durch die Anpassung des Tastkopf-Offsets an die Rail-DC-Spannung kann das Signal mit hoher Empfindlichkeit betrachtet werden.
Bei der Verwendung einer aktiven Sonde zur Messung einer Stromschiene müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Aktive Tastköpfe bieten unterschiedliche Offset-Bereiche, daher ist es wichtig, einen Tastkopf mit genügend Offset zu verwenden, um den Spannungsbereich der Stromschiene abzudecken. Ein weiteres Problem bei der Verwendung eines aktiven Sonars ist das Eingangsrauschen. Die meisten aktiven Tastköpfe verfügen über eine Dämpfung, um brauchbare Eingangsbereiche aufrechtzuerhalten. Die Tastkopfdämpfung erhöht das auf den Eingang bezogene Rauschen, da sie das Rauschen des Oszilloskops mit seinem Dämpfungsfaktor multipliziert und zu dem vom Tastkopf beigetragenen Rauschen addiert. Typischerweise haben aktive Tastköpfe mit Dämpfung ein viel höheres eingangsbezogenes Rauschen als ein Sperrkondensator oder ein direkter 50-Ω-Kanal. Da die Dämpfung eines Tastkopfes oft zum Rauschen bezogen auf den Eingang beiträgt, ist beim Abtasten von Netzteilen meist ein Tastkopf mit 1:1 Dämpfung vorzuziehen. Obwohl aktive Tastköpfe mehrere entscheidende Vorteile bieten, wie z. B. einen minimalen Kopf und einen großen Eingangsbereich, sind sie aufgrund ihres höheren Rauschens häufig nicht zum Abtasten von Stromschienen geeignet.
Die Nachfrage nach Tastköpfen, die speziell für die Messung von Stromversorgungen entwickelt wurden, beginnt zu bestehen, die einige der Allzweckfähigkeiten herkömmlicher aktiver Tastköpfe zugunsten von Merkmalen opfern, die sie ideal für die Messung von Stromversorgungen machen. Sie bieten sehr geringes Rauschen, minimale DC-Last, großen Offset und einen großen Eingangsbereich. Ein Beispiel für diese Sonden ist die N7020A von Keysight Technologies. Mit einer 1:1-Dämpfung und einem 50-kΩ-DC-Widerstand kann er Breitbandinhalte, einschließlich DC bis zu ±24 V, mit minimalem Rauschen und minimaler Last messen. Für Stromschienen bietet diese Sonde viele der Vorteile der oben beschriebenen Sondierungstechniken und fast keine Nachteile.
Wie wir bereits erwähnt haben, ist das Aufladen ein Problem für Stromschienenmessungen, insbesondere bei niedrigen Frequenzen. Abbildung 1 zeigt grafisch die Sondenlast gemäß den verschiedenen Optionen, die wir ausprobiert haben. Da die meisten Netzteile eine niedrige Eingangsimpedanz haben, werden sie bei hohen Frequenzen kaum von der Sondenlast beeinflusst. Das 50-Ω-Kabel zieht im Gegensatz zu den anderen Tastköpfen bei Gleichstrom einen erheblichen Strom. Die aktive Sonde ist die einzige in Abbildung 1 gezeigte Option, die auch bei hohen Frequenzen eine niedrige Last aufrechterhält. Während dies bei anderen allgemeinen Polling-Anwendungen wichtig ist, bei denen die Eingangsimpedanz höher sein kann, ist es normalerweise nicht von Vorteil für Power-Rail-Anwendungen, da die Quellenimpedanz niedrig ist.
Alle oben beschriebenen Sondierungsoptionen haben eines gemeinsam, das einen großen Einfluss auf die Signalintegrität haben kann: den ersten halben Zentimeter der Sonde. Solange die Amplitude der interessierenden Signale gering ist, kann die Qualität der physikalischen Verbindung der Sonde einen starken Einfluss auf die Integrität der Messung haben.
Rauschen bei der Messung kann durch das Oszilloskop und den Tastkopf verursacht werden, es kann Teil des Signals an der Tastkopfspitze sein oder durch einen niedrigeren Anschluss von außen verursacht werden. Es gibt zwei Hauptquellen für Rauschen, die durch falsche Erdung verursacht werden. Eines ist Erdschleifeninjektion und das andere ist eine elektromagnetische Aufnahme. Eine zu lange Sondensignal- oder Masseverbindung verschlimmert beide Fälle.
Masseschleifen sind oft ein Problem bei einpoligen Tastköpfen. Diese werden gebildet, wenn ein oder mehrere Bodenpfade an zwei oder mehr Punkten zusammenlaufen. Sie verursachen Messprobleme, wenn sich das Massepotential des zu testenden Geräts vom Massepotential des Oszilloskopchassis unterscheidet. In einem solchen Fall fällt der Strom durch die Erdungsabschirmung der Sonde ab, wodurch ein Signal auf dem Bildschirm erscheint. Um festzustellen, ob eine Masseschleife ein Problem darstellen sollte, muss der Masseanschluss der Sonde und des Eingangs mit der Masse des zu testenden Geräts verbunden werden. Wenn auf dem Oszilloskop ein Signal erscheint, muss die Masseschleife entfernt werden. Dies kann erreicht werden, indem die Masseverbindungen des Prüflings und des Oszilloskops auf dem Labortisch verbessert werden oder indem die Masse des Oszilloskops über einen Pfad mit niedriger Impedanz mit der Gerätemasse verbunden wird.
Rauschen kann auch auf elektromagnetische Störungen zurückzuführen sein. In diesem Fall funktioniert das Erdungskabel wie eine Schleifenantenne mit einer Windung. Alle in der Nähe befindlichen Schaltkreise, die elektromagnetische Energie aussenden, könnten von der Sonde erfasst werden und in der Messung erscheinen. Wenn das Bewegen des Massekabels die Art des Rauschens verändert, liegt das Problem wahrscheinlich in der Rauschaufnahme. Eine andere Methode zur Bestimmung der Rauschquelle besteht darin, die Sonde vom DUT zu trennen und den Eingang mit dem Werkstückkabel zu verbinden. Die Sondenspitze funktioniert wie eine Antenne und kann um verschiedene potenzielle Quellen herum bewegt werden, um diese abstrahlende Energie zu identifizieren.
Bei einpoligen Messungen bietet eine vorbereitete koaxiale Übertragungsleitung, auch Pigtail genannt, oft die beste physikalische Verbindung zum Messen von Stromschienen. Wie in Abbildung 2 zu sehen, hat die Pigtail-Sonde einen hervorstehenden Mittelleiter und eine freiliegende Außenabschirmung aus Weißblech, was das Löten zwischen der Spannungsschiene und Masse erleichtert. Bei kaum vorhandener Masseüberlänge wird die Masseinduktivität minimiert.
Außerdem wird die Schleifenfläche zwischen Innenleiter und Masse reduziert, wodurch die Verbindung weniger anfällig für äußere Einflüsse ist. Oft ist ein Bypass-Kondensator geeignet, um eine Schiene mit einer Pigtail-Sonde zu prüfen. Der Mittelleiter kann an die Versorgungsseite des Bypass gelötet werden und die Abschirmung kann an die Erdungsseite gelötet werden, wie in Abbildung 2 gezeigt.
Das Oszilloskop ist ein wertvolles Werkzeug bei der Analyse von Stromversorgungsdesigns. Da die Anforderungen an die Spezifikationen der Quellen steigen und die interessierenden Spannungen reduziert werden, wird die Integrität der Signale von grundlegender Bedeutung. Unterschiedliche Tastverfahren, von Blockkondensatoren bis hin zu aktiven Tastköpfen, bieten Vor- und Nachteile. Faktoren wie Eingangslast, Rauschen und Offset müssen bei der Auswahl einer Sonde berücksichtigt werden. Außerdem wirkt sich die physikalische Verbindung direkt auf die Qualität der Messung aus.
Die Minimierung der Länge der Erdungsverbindung ist wesentlich, um den besten Geräuschpegel aufrechtzuerhalten. Beim Messen von Stromschienen ist es wichtig, die Kompromisse zu verstehen, die verschiedene Sondierungstechniken und ihre Verbindungen darstellen.
