Pour les lignes de tension continue et les rails d'alimentation
La gestion de l'énergie dans la conception des circuits intégrés (CI) est un aspect critique et étroitement réglementé de l'électronique moderne. La demande croissante de microcontrôleurs économiques a exercé une pression importante sur les réseaux de distribution d'énergie, entraînant une réduction continue des tensions d'alimentation. L'abaissement de ces tensions est une stratégie cruciale pour minimiser la consommation d'énergie globale et améliorer l'efficacité énergétique.
Par conséquent, de nombreuses conceptions fonctionnent aujourd'hui à des tensions d'alimentation de 3,3 V, 1,8 V et, dans certains cas, de 1,1 V. Cependant, à mesure que les tensions d'alimentation ont diminué, les tolérances qui leur sont associées sont devenues beaucoup plus étroites. Alors que les concepteurs travaillaient autrefois avec des tolérances de l'ordre de ±10 %, les systèmes modernes exigent souvent des tolérances beaucoup plus strictes, comprises entre ±1 % et ±5 %.
Il est essentiel de garantir la qualité et la stabilité des rails d'alimentation en courant continu pour préserver la fiabilité et les performances du système. Les rails de tension sont sensibles à diverses perturbations, notamment l'ondulation, le bruit et les fluctuations transitoires. Ces variations indésirables peuvent entraîner des problèmes importants dans le fonctionnement des circuits. Il est donc impératif de les mesurer et de les analyser avec précision avant de prendre des mesures pour en atténuer l'impact.
L'objectif premier est de s'assurer que le rail d'alimentation reste aussi propre et stable que possible. Cela nécessite des techniques de mesure précises capables de capturer des variations de courant alternatif de plus en plus petites et rapides superposées à l'alimentation en courant continu. En surveillant et en analysant efficacement ces signaux, les ingénieurs peuvent mettre en œuvre des mesures correctives pour maintenir une intégrité optimale de l'alimentation dans les conceptions de circuits intégrés modernes.
Le défi : Mesurer les petits signaux CA sur les grands signaux CC
Dans votre circuit, vous avez un signal continu et une bande de tolérance autour du sommet de ce signal continu (figure 1). Tant que vous restez à l'intérieur de la bande de tolérance, votre réseau de distribution d'énergie passe. Si vous sortez de la bande de tolérance, il échouera, auquel cas vous devrez réduire le bruit. Dans les deux cas, vous devez être en mesure de voir et de mesurer le signal CA qui se superpose au signal CC. Cette fiche d'application présente cinq conseils pour vous aider à obtenir la meilleure mesure possible de ce signal CA.
Figure 1. Pour relever le défi de la mesure de petits signaux CA au-dessus de grands signaux CC, vous devez surmonter les impacts du bruit du système de mesure et du décalage des grands signaux.
Conseil n° 1 : choisissez un oscilloscope dont le bruit frontal est le plus faible possible
Tous les oscilloscopes introduisent du bruit dans votre système, tout comme le bruit inhérent à toute conception électronique. La question est de savoir quel est le niveau de bruit de l'oscilloscope. Tout bruit dans l'oscilloscope va se superposer au signal que vous mesurez, ce qui va faire une différence significative dans les valeurs de mesure que vous voyez.
La conception des oscilloscopes varie. Certains oscilloscopes utilisent des composants peu coûteux pour réduire les frais d'utilisation. Mais plus l'oscilloscope est bon marché, plus le bruit frontal est important. Certains oscilloscopes, comme la série InfiniiVision HD3 de Keysight, sont destinés à des mesures plus sensibles, telles que l'intégrité de l'alimentation, et sont dotés de systèmes frontaux à très faible bruit. Les composants personnalisés conçus par Keysight garantissent que l'oscilloscope n'affecte pas vos mesures sensibles, telles que l'ondulation d'un rail d'alimentation.
Vous souhaitez que le niveau de bruit du système de mesure de votre oscilloscope soit aussi faible que possible afin qu'il n'assombrisse pas vos résultats.
Conseil 1 : Tous les oscilloscopes ont toujours un peu de bruit. Ce bruit se superpose à vos signaux. Utilisez un oscilloscope avec le moins de bruit possible afin qu'il n'affecte pas vos mesures.
La série InfiniiVision HD3 de Keysight offre un frontal à très faible bruit.
Figures 2a et 2b. La figure 2a (à gauche) montre une tonalité de tension extrêmement faible sur notre transformée de Fourier rapide (53 µV) grâce au frontal à faible bruit de l'oscilloscope de la série Keysight InfiniiVision HD3. Il n'est même pas possible de voir cette tonalité sur d'autres oscilloscopes de cette catégorie, car leur plancher de bruit est trop élevé. Si vous ne pouvez pas détecter les petites tonalités susceptibles d'interférer avec la fonctionnalité de votre alimentation, vous ne pouvez pas les éliminer. La figure 2b (à droite) montre la série HD3, conçue pour avoir un bruit frontal extrêmement faible.
Conseil 2 : Utilisez une sonde 1:1
Les sondes d'oscilloscope sont disponibles dans différents rapports d'atténuation. Le rapport définit à quel point le signal est divisé avant d'être visualisé sur l'écran. Par exemple, une sonde 10:1 vous permet de mesurer des signaux qui, autrement, dépasseraient l'entrée maximale de l'oscilloscope.
L'inconvénient de l'atténuation est que la taille du bruit de l'oscilloscope par rapport à la taille du signal mesuré augmente également. Dans la figure 3, une sonde 10:1 et une sonde 1:1 mesurent la même ondulation de sortie sur une alimentation avec les mêmes réglages de l'oscilloscope. La sonde 10:1 surestime la mesure d'au moins 50 % en raison de la réduction du rapport signal/bruit résultant du rapport d'atténuation plus élevé. La sonde 1:1 mesure plus précisément le signal lorsque le bruit peut être problématique.
Conseil 2 : Lors de la mesure de petits signaux pour lesquels le bruit de l'oscilloscope peut être problématique, il est préférable d'utiliser le rapport d'atténuation le plus faible possible.
Figure 3. Comparaison du bruit d'une sonde 1:1 et d'une sonde 10:1 mesurant l'ondulation de sortie d'une alimentation électrique.
Conseil 3 : utiliser un chemin d'entrée de 50 Ω pour l'oscilloscope
Le chemin de mesure de l'oscilloscope comprend l'oscilloscope que vous utilisez, la terminaison d'entrée de l'oscilloscope (50 Ω ou 1 MΩ) et la sonde qui accède au signal. Pour de nombreux oscilloscopes, l'entrée 50 Ω est un chemin de bruit plus faible que le chemin de terminaison d'entrée 1 MΩ.
La figure 4 montre le bruit de base de l'entrée 50 Ω et de l'entrée 1 MΩ. L'entrée de 50 Ω (jaune) est clairement plus petite et, dans ce cas, c'est le meilleur choix.
Vérifiez le bruit des bornes d'entrée de votre oscilloscope sans aucune sonde connectée. Ensuite, ajoutez vos sondes, court-circuitez l'entrée à la masse (ou court-circuitez les entrées ensemble sur une sonde différentielle) et mesurez le bruit de base avec la sonde connectée.
Conseil 3 : Utilisez le chemin de bruit le plus bas de l'oscilloscope. Il s'agit souvent de l'entrée 50 Ω.
Figure 4. Bruit de base sur l'entrée 50 Ω comparé au chemin d'entrée 1 MΩ de l'oscilloscope HD3.
Conseil 4 : Utiliser le décalage de la sonde pour augmenter la portée dynamique
L'ondulation et le bruit de l'alimentation en courant continu sont probablement faibles par rapport au signal en courant continu, ce qui se traduit par un petit signal en courant alternatif qui se superpose à un signal en courant continu relativement important. L'offset est une fonction de certains oscilloscopes et sondes actives qui vous permet d'éliminer le contenu en courant continu des signaux que vous mesurez. La figure 5 montre les résultats de la mesure du bruit sur une alimentation de 1,8 V avec et sans l'utilisation de l'offset de la sonde.
Bien que la plupart des sondes actives offrent un décalage, elles présentent également des rapports d'atténuation importants qui augmentent le bruit du système de mesure de l'oscilloscope. Si un bloc CC peut bloquer le contenu CC, il peut également bloquer le contenu basse fréquence du signal.
Conseil 4 : Utilisez le décalage de la sonde pour zoomer sur le petit signal CA.
Figure 5. Mesure du bruit sur une alimentation en courant continu de 1,8 V sans décalage et avec décalage de la sonde.
Conseil 5 : Minimiser la charge de l'oscilloscope et de la sonde sur l'alimentation
Chaque fois qu'un oscilloscope sonde un système, il devient une partie de ce système en raison du contact électrique. Ce contact modifie le comportement du système que vous mesurez en créant un chemin supplémentaire vers la terre. Lors de la mesure de petits signaux, l'un des objectifs est de minimiser autant que possible cette charge du système de mesure.
Dans le contexte de la mesure des alimentations en courant continu, une source courante de charge excessive se produit lorsqu'un utilisateur attache un câble coaxial de 50 Ω à l'alimentation et à l'entrée 50 Ω de l'oscilloscope. La figure 6 montre une comparaison des mesures du rail d'alimentation. Tout d'abord, nous avons mesuré le rail d'alimentation à l'aide d'un multimètre numérique et obtenu un résultat de 3,31 V. Ensuite, nous avons sondé l'alimentation avec une impédance d'entrée de 50 kΩ, ce qui a donné un résultat de 3,31 V. Enfin, nous avons sondé l'alimentation en la connectant directement à l'entrée de l'oscilloscope de 50 Ω, et l'alimentation est passée de 3,31 V à 3,25 V. Certaines alimentations auront suffisamment de capacité excédentaire pour piloter cette charge supplémentaire, mais d'autres n'en auront pas. Cette charge supplémentaire pourrait affecter le comportement du circuit intégré de gestion de l'alimentation.
Conseil 5 : Utilisez une sonde avec une impédance d'entrée élevée pour minimiser l'excès de charge sur le circuit que vous testez.
N7020A 50 kΩ à DC |
Câble de 50 Ω en courant continu |
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Figure 6. Comparaison du bruit sur les mesures du rail d'alimentation de 3,31 V, montrant l'impédance d'entrée de 50 kΩ à gauche et l'impédance d'entrée de 50 Ω à droite.
Sonde de rail de puissance N7020A associée à l'oscilloscope de la série HD3
Nos conseils vous aideront à minimiser le bruit du système de mesure de l'oscilloscope et à identifier les sources de bruit et d'ondulation dans une alimentation CC, quelle que soit la marque de l'oscilloscope que vous utilisez. Ces techniques sont encore plus efficaces lorsqu'elles sont utilisées avec des outils spécialisés dans la mesure du bruit de l'alimentation. La sonde de rail d'alimentation Keysight N7020A est la première sonde conçue spécifiquement pour mesurer le bruit des alimentations CC. Elle présente un rapport d'atténuation de 1:1, un décalage de ± 24 V et une impédance d'entrée de 50 kΩ. Lorsqu'il est utilisé avec l'oscilloscope InfiniiVision HD3, le N7020A dispose d'une bande passante de 2 GHz pour capturer le bruit haute fréquence et les transitoires qui peuvent provoquer une gigue d'horloge et de données.
En utilisant la sonde de rail d'alimentation N7020A et l'oscilloscope de la série HD3, il est plus facile de trouver et d'analyser les signaux AC de votre alimentation DC que vous ne pouviez pas voir auparavant. Cette approche vous permet d'obtenir les mesures dont vous avez besoin.
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L'oscilloscope InfiniiVision HD3 vous permet de capturer avec précision les signaux les plus faibles grâce à son frontal à faible bruit et à son CAN 14 bits. Profitez d'une résolution verticale 4x par rapport aux autres oscilloscopes polyvalents 12 bits. Associée à un taux de mise à jour des formes d'onde inégalé, à de nouvelles fonctions puissantes telles que Keysight Fault Hunter, à une mémoire profonde et à des tests accélérés par le matériel, la série HD3 vous permet de déboguer vos conceptions plus rapidement !
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