Für Gleichspannungsleitungen und Stromschienen
Das Energiemanagement bei der Entwicklung integrierter Schaltungen (IC) ist ein kritischer und streng geregelter Aspekt der modernen Elektronik. Die steigende Nachfrage nach kostengünstigen Mikrocontrollern hat einen erheblichen Druck auf die Stromverteilungsnetze ausgeübt, was zu einer kontinuierlichen Verringerung der Versorgungsspannungen führt. Die Senkung dieser Spannungen ist eine entscheidende Strategie, um den Gesamtstromverbrauch zu minimieren und die Energieeffizienz zu verbessern.
Infolgedessen arbeiten viele Designs heute mit Versorgungsspannungen von 3,3 V, 1,8 V und in einigen Fällen sogar mit nur 1,1 V. Mit der Verringerung der Versorgungsspannungen sind jedoch auch die damit verbundenen Toleranzen deutlich enger geworden. Wo Konstrukteure früher mit Toleranzen von etwa ±10 % arbeiteten, sind bei modernen Systemen oft viel engere Toleranzen erforderlich, die zwischen ±1 % und ±5 % liegen.
Die Gewährleistung der Qualität und Stabilität von Gleichstromschienen ist für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit und Leistung des Systems von entscheidender Bedeutung. Spannungsschienen sind anfällig für verschiedene Störungen, darunter Restwelligkeit, Rauschen und transiente Schwankungen. Diese unerwünschten Schwankungen können zu erheblichen Problemen beim Betrieb von Schaltkreisen führen. Daher ist es unerlässlich, sie genau zu messen und zu analysieren, bevor Schritte zur Abschwächung ihrer Auswirkungen unternommen werden.
Das Hauptziel besteht darin, sicherzustellen, dass die Stromschiene so sauber und stabil wie möglich bleibt. Dies erfordert präzise Messverfahren, die in der Lage sind, immer kleinere und schnellere Wechselstromschwankungen zu erfassen, die der Gleichstromversorgung überlagert werden. Durch die effektive Überwachung und Analyse dieser Signale können Ingenieure Korrekturmassnahmen ergreifen, um eine optimale Stromversorgungsintegrität in modernen integrierten Schaltkreisen zu gewährleisten.
Die Herausforderung: Messen Sie kleine AC-Signale, die grossen DC-Signalen überlagert sind
In Ihrer Schaltung haben Sie ein Gleichstromsignal und ein Toleranzband um den oberen Teil dieses Gleichstromsignals (Abbildung 1). Solange Sie innerhalb des Toleranzbandes bleiben, wird Ihr Stromverteilungsnetz funktionieren. Wenn Sie das Toleranzband überschreiten, wird es versagen, und in diesem Fall müssen Sie das Rauschen reduzieren. In jedem Fall müssen Sie in der Lage sein, das Wechselstromsignal, das dem Gleichstromsignal überlagert ist, zu sehen und zu messen. In diesem Anwendungsbericht werden fünf Tipps vorgestellt, die Ihnen helfen, das Wechselstromsignal bestmöglich zu messen.
Abbildung 1. Um die Herausforderung zu lösen, kleine Wechselstromsignale über großen Gleichstromsignalen zu messen, müssen Sie die Auswirkungen des Rauschens des Messsystems und des großen Signaloffsets überwinden
Tipp 1: Wählen Sie ein Oszilloskop mit dem geringsten Front-End-Rauschen
Alle Oszilloskope bringen ein gewisses Rauschen in Ihr System ein, ähnlich wie das inhärente Rauschen, das in jedem elektronischen Design zu finden ist. Die Frage ist: Wie viel Rauschen hat das Oszilloskop? Jegliches Rauschen im Oszilloskop überlagert das von Ihnen gemessene Signal, was einen erheblichen Unterschied bei den angezeigten Messwerten ausmacht.
Oszilloskope sind unterschiedlich aufgebaut. Einige Oszilloskope verwenden preiswerte Komponenten, um die Kosten für den Benutzer niedrig zu halten. Aber je billiger das Oszilloskop ist, desto mehr Front-End-Rauschen wird es haben. Einige Oszilloskope, wie z. B. die Keysight InfiniiVision HD3-Serie, sind für empfindlichere Messungen, wie z. B. Leistungsintegrität, gedacht und verfügen über extrem rauscharme Front-End-Systeme. Die von Keysight entwickelten kundenspezifischen Komponenten stellen sicher, dass das Oszilloskop Ihre empfindlichen Messungen, wie z. B. die Restwelligkeit auf einer Stromschiene, nicht beeinträchtigt.
Sie möchten, dass der Rauschpegel Ihres Oszilloskop-Messsystems so gering wie möglich ist, damit er Ihre Ergebnisse nicht überschattet.
Tipp 1: Alle Oszilloskope haben immer ein gewisses Rauschen. Dieses Rauschen wird Ihre Signale überlagern. Verwenden Sie ein Oszilloskop mit möglichst geringem Rauschen, damit es Ihre Messungen nicht beeinträchtigt.
Die Keysight InfiniiVision HD3-Serie bietet ein extrem rauscharmes Frontend.
Abbildungen 2a und 2b. Abbildung 2a (links) zeigt einen extrem niedrigen Spannungston auf unserer schnellen Fourier-Transformation (53 µV) dank des rauscharmen Frontends des Keysight Oszilloskops der InfiniiVision HD3 Serie. Bei anderen Oszilloskopen dieser Klasse ist es nicht einmal möglich, diesen Ton zu sehen, da die Rauschgrenze zu hoch ist. Wenn Sie kleine Töne, die die Funktionalität Ihrer Versorgung beeinträchtigen könnten, nicht erkennen können, können Sie sie auch nicht beseitigen. Abbildung 2b (rechts) zeigt die HD3-Serie, die für ein extrem rauscharmes Frontend entwickelt wurde.
Tipp 2: Verwenden Sie einen 1:1-Tastkopf
Oszilloskoptastköpfe gibt es in verschiedenen Dämpfungsverhältnissen. Das Verhältnis gibt an, wie stark das Signal unterteilt wird, bevor es auf dem Bildschirm angezeigt wird. Mit einem Tastkopf mit einem Verhältnis von 10:1 können Sie beispielsweise Signale messen, die sonst die maximale Eingangsleistung des Oszilloskops überschreiten würden.
Der Nachteil der Dämpfung besteht darin, dass das Rauschen des Oszilloskops im Verhältnis zur Grösse des zu messenden Signals ebenfalls zunimmt. In Abbildung 3 messen ein 10:1-Tastkopf und ein 1:1-Tastkopf dieselbe Ausgangswelligkeit an einer Stromversorgung mit denselben Scope-Einstellungen. Der 10:1-Tastkopf überbewertet die Messung um mindestens 50 %, da das Signal-Rausch-Verhältnis aufgrund des höheren Dämpfungsverhältnisses geringer ist. Die 1:1-Sonde misst das Signal genauer, wenn das Rauschen problematisch sein kann.
Tipp 2: Bei der Messung kleiner Signale, bei denen das Rauschen des Oszilloskops problematisch sein kann, ist es am besten, das kleinstmögliche Dämpfungsverhältnis zu verwenden.
Abbildung 3. Vergleich des Rauschens eines 1:1- und eines 10:1-Tastkopfes bei der Messung der Ausgangswelligkeit eines Netzteils
Tipp 3: 50 Ω-Eingangsweg des Oszilloskops verwenden
Der Messpfad des Oszilloskops umfasst das verwendete Oszilloskop, den Eingangsabschluss des Oszilloskops (entweder 50 Ω oder 1 MΩ) und den Tastkopf, der auf das Signal zugreift. Bei vielen Oszilloskopen ist der 50 Ω-Eingang ein rauschärmerer Pfad als der 1 MΩ-Eingangsabschlusspfad.
Abbildung 4 zeigt das Grundlinienrauschen des 50 Ω-Eingangs und des 1 MΩ-Eingangs. Die 50 Ω (gelb) sind eindeutig kleiner und in diesem Fall die bessere Wahl.
Prüfen Sie das Rauschen der Eingangsklemmen Ihres Oszilloskops ohne angeschlossene Messfühler. Fügen Sie dann Ihre Tastköpfe hinzu, schliessen Sie den Eingang mit Masse kurz (oder schliessen Sie die Eingänge bei einem Differentialtastkopf zusammen), und messen Sie das Grundrauschen mit angeschlossenem Tastkopf.
Tipp 3: Verwenden Sie den Pfad mit dem geringsten Rauschen im Oszilloskop. Häufig ist dies der 50 Ω-Eingang.
Abbildung 4. Grundlinienrauschen am 50 Ω-Eingang im Vergleich zum 1 MΩ-Eingangspfad des HD3-Oszilloskops
Tipp 4: Verwenden Sie den Tastkopf-Offset, um die dynamische Reichweite zu erhöhen
Die Restwelligkeit und das Rauschen der Gleichstromversorgung sind im Vergleich zum Gleichstromsignal meist gering, was dazu führt, dass ein kleines Wechselstromsignal auf einem relativ grossen Gleichstromsignal liegt. Offset ist eine Funktion einiger Oszilloskope und aktiver Tastköpfe, mit der Sie Gleichstromanteile aus den zu messenden Signalen entfernen können. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der Rauschmessung bei einer Versorgungsspannung von 1,8 V mit und ohne Verwendung des Tastkopf-Offsets.
Die meisten aktiven Tastköpfe bieten zwar einen Offset, haben aber auch grosse Dämpfungsverhältnisse, die das Rauschen des Oszilloskop-Messsystems erhöhen. Eine Gleichstromsperre kann zwar Gleichstromanteile blockieren, aber auch niederfrequente Anteile des Signals.
Tipp 4: Verwenden Sie den Tastkopf-Offset, um das kleine AC-Signal zu vergrössern.
Abbildung 5. Messung des Rauschens bei einer 1,8-V-Gleichstromversorgung ohne Offset und mit Sondenoffset
Tipp 5: Minimieren Sie die Belastung des Oszilloskops und des Tastkopfs durch die Versorgung
Jedes Mal, wenn ein Oszilloskop ein System abtastet, wird es durch den elektrischen Kontakt Teil dieses Systems. Dieser Kontakt verändert das Verhalten des Systems, das Sie messen, indem er einen zusätzlichen Pfad zur Erde schafft. Bei der Messung kleiner Signale besteht ein Ziel darin, diese Belastung des Messsystems so weit wie möglich zu minimieren.
Bei der Messung von Gleichstromversorgungen kommt es häufig zu einer übermässigen Belastung, wenn der Benutzer ein 50 Ω-Koaxialkabel an die Versorgung und an den 50 Ω-Eingang des Oszilloskops anschliesst. Abbildung 6 zeigt einen Vergleich von Stromschienenmessungen. Zunächst haben wir die Stromschiene mit einem Digitalmultimeter gemessen und ein Ergebnis von 3,31 V erzielt. Als Nächstes haben wir die Stromversorgung mit einer 50 kΩ-Eingangsimpedanz geprüft, was ebenfalls 3,31 V ergab. Schliesslich haben wir die Stromversorgung durch direkten Anschluss an den 50 Ω-Eingang des Oszilloskops geprüft, und die Spannung fiel von 3,31 V auf 3,25 V. Einige Stromversorgungen verfügen über genügend Überschusskapazität, um diese zusätzliche Last zu treiben, andere jedoch nicht. Diese zusätzliche Last könnte das Verhalten des integrierten Schaltkreises zur Leistungsverwaltung beeinflussen.
Tipp 5: Verwenden Sie einen Messfühler mit einer hohen Eingangsimpedanz, um die Überlast auf der zu testenden Schaltung zu minimieren.
N7020A 50 kΩ bei DC |
50 Ω Kabel bei DC |
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Abbildung 6. Vergleich des Rauschens bei 3,31-V-Leistungsschienenmessungen mit einer Eingangsimpedanz von 50 kΩ auf der linken Seite und einer Eingangsimpedanz von 50 Ω auf der rechten Seite
N7020A Power Rail Probe in Kombination mit Oszilloskopen der HD3-Serie
Unsere Tipps helfen Ihnen, das Rauschen des Oszilloskop-Messsystems zu minimieren und Quellen von Rauschen und Restwelligkeit in einer Gleichstromversorgung zu identifizieren, unabhängig davon, welche Oszilloskopmarke Sie verwenden. Diese Techniken funktionieren sogar noch besser, wenn sie mit speziellen Werkzeugen für die Messung von Stromversorgungsrauschen verwendet werden. Die Keysight N7020A Power Rail Probe ist die erste Sonde, die speziell für die Messung des Rauschens in Gleichstromversorgungen entwickelt wurde. Er hat ein Dämpfungsverhältnis von 1:1, einen Offset von ± 24 V und eine Eingangsimpedanz von 50 kΩ. Bei Verwendung mit dem Oszilloskop der InfiniiVision HD3-Serie verfügt der N7020A über eine Bandbreite von 2 GHz, um hochfrequentes Rauschen und Transienten zu erfassen, die Takt- und Datenjitter verursachen können.
Die Verwendung des N7020A Power Rail Probe und des Oszilloskops der HD3-Serie erleichtert das Auffinden und Analysieren der AC-Signale Ihrer Gleichstromversorgung, die Sie vorher nicht sehen konnten. Dieser Ansatz verschafft Ihnen den nötigen Messeinblick.
Entdecken Sie, was Ihnen bisher gefehlt hat - übertreffen Sie die Konkurrenz, verkürzen Sie die Markteinführungszeit und liefern Sie ein stärkeres, widerstandsfähigeres Produkt. 4-fache Auflösung und halb so viel Rauschen
Die Oszilloskope der InfiniiVision HD3-Serie ermöglichen Ihnen die präzise Erfassung kleinster Signale mit ihrem rauscharmen Frontend und 14-Bit-ADC. Geniessen Sie die 4-fache vertikale Auflösung im Vergleich zu anderen 12-Bit-Oszilloskopen für allgemeine Zwecke. In Kombination mit einer beispiellosen Wellenform-Aktualisierungsrate, leistungsstarken neuen Funktionen wie Keysight Fault Hunter, tiefem Speicher und hardwarebeschleunigtem Testen ermöglicht Ihnen die HD3-Serie ein schnelleres Debugging Ihrer Designs!
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