Einführung

Das Abtasten von Signalen mit einer Bandbreite unter 10 MHz und einer Spannungsempfindlichkeit über 100 mV ist ein Kinderspiel. Unabhängig von der Art des Signals oder der Quellenimpedanz ist der ehrwürdige passive 10-fach-Tastkopf die Antwort. Bei Bandbreiten >10 MHz und einer Spannungsempfindlichkeit <100 mV ist der passive 10x-Tastkopf jedoch möglicherweise nicht die beste Option.

In dieser Application Note stellen wir eine einfache, leicht zu implementierende und kostengünstige Alternative zum passiven 10-fach-Tastkopf speziell für Power-Rail-Messungen vor.

Eine alternative Power-Rail-Sondierungsmethode

Sechs spezifische Bedingungen für Stromschienen stellen sie vor einzigartige Herausforderungen im Vergleich zu Signalleitungen:

  • Ein Schaltnetzteil gibt starkes Nahfeld-HF-Rauschen ab
  • Die Ausgangsimpedanz der Schiene kann kleiner als 1 Ω sein
  • Es kann einen großen DC-Offset geben
  • Das interessierende Signal kann nur 10 mV betragen
  • Bei Niederstromschienen möchten wir eine Last mit niedriger DC-Impedanz vermeiden
  • Bei Bandbreiten >100 MHz kann es zu schnellen Transienten kommen

Eine alternative Methode zum Testen einer niederohmigen, schnell schaltenden Quelle ist die Source-Serienabschlussmethode, die einen 50-Ω-Widerstand in Reihe zwischen dem DUT und der Koaxialkabelverbindung umfasst. Das Koaxialkabel wird dann an den analogen Eingang des Oszilloskops angeschlossen, der auf 1 MΩ Abschluss eingestellt ist. Ein äquivalentes Schaltungsmodell und eine einfache Implementierung sind in Abbildung 1 dargestellt.

Beim Messen der meisten Signale mit hoher Bandbreite ist 50 Ω die empfohlene Eingangsimpedanz für das Oszilloskop. Dies gilt jedoch nicht für Stromschienen. Es gibt zwei wichtige Probleme, die durch eine 50-Ω-Eingangsimpedanz am Oszilloskop beim Messen von Stromschienen entstehen.

Zum einen liegt bei einer Eingangsimpedanz von 50 Ω zum Oszilloskop die maximale Spannung, die man abtasten kann, typischerweise bei etwa 5 V. Höhere Spannungen verbrauchen zu viel Leistung im 50-Ω-Widerstand und das Oszilloskop kann Schaden nehmen.

Zum anderen führt die Verwendung von 50 Ω für die Eingangsimpedanz des Oszilloskops zu einer DC-Last am DUT. Wenn das DUT eine 3-V-Quelle ist, zieht die 50-Ω-Last 60 mA. Wenn das DUT 100 A liefern kann, ist eine 60-mA-Entnahme von der Sonde vernachlässigbar. Wenn das DUT jedoch eine 100-mA-Low-Dropout-Stromquelle (LDO) ist, wirkt sich eine 60-mA-Entnahme aus der Sonde dramatisch auf die Leistung der LDO-Stromquelle aus.

Daher müssen wir den 1-MΩ-Eingangsabschluss des Oszilloskops verwenden. Dies ermöglicht einerseits die Messung eines Spannungsbereichs von ±40 V bei vernachlässigbarer DC-Stromaufnahme. Andererseits erzeugt der 1-MΩ-Eingangsabschluss des Oszilloskops beim Prüfen einer niederohmigen Quelle mit einer direkten Koaxialkabelverbindung große Reflexionen von schnellen Übergangsflanken. Das Ersatzschaltbild ist in Bild 2 dargestellt.

Nachdem es von der niederohmigen Quelle in das Koaxialkabel eingespeist wurde, wandert ein anfängliches transientes Signal das Koaxialkabel hinunter zum 1-MΩ-Eingangsabschluss des Oszilloskops. Von dort reflektiert es zurück zur Quelle. Wenn es wieder die niedrige Impedanz der Quelle erreicht, reflektiert es mit einem Vorzeichenwechsel. Diese Reflexion gelangt zum Eingang des Oszilloskops und zieht das Eingangssignal nach unten, wird dann reflektiert und wiederholt sich. Das Endergebnis ist ein großes Klingelsignal am Oszilloskop.

Die Lösung für dieses Problem: Fügen Sie dem DUT einen 50-Ω-Quell-Reihenabschluss hinzu. Dadurch wird zunächst die Hälfte der Quellenspannung in das Koaxialkabel eingespeist, die den 1-MΩ-Eingangsabschluss des Oszilloskops erreicht und zurückreflektiert. Die vom Oszilloskop gemessene Anfangsspannung ist das Doppelte der Ausgangsspannung, was genau der Spannung der Quelle entspricht.

Wenn das reflektierte Signal seinen Weg zur Quelle findet, sieht es den 50-Ω-Widerstand in Reihe mit der niedrigen Impedanz der Quelle. Solange die Quellenimpedanz kleiner als 5 Ω ist, gibt es praktisch keine Reflexion und die Reflexionen werden beendet.

In dem in Bild 3 gezeigten Beispiel schaltet ein 5-V-Schaltnetzteil (SMPS) mit einer Quellimpedanz von 0.1 Ω mit einer Anstiegszeit von wenigen Nanosekunden ein. Er wird gemessen, wenn das Oszilloskop auf einen 1-MΩ-Eingangsabschluss eingestellt ist. Links in Abbildung 3 gibt es eine direkte Koaxialkabelverbindung mit deutlich erkennbaren Mehrfachreflexionen. Rechts schließt das Hinzufügen eines 50-Ω-Quellen-Vorwiderstands zum DUT das Koaxialkabel an der Quelle ab und verhindert Mehrfachreflexionen.

Dieser einfache Ansatz, einen 50-Ω-Quellen-Serienwiderstand am Ende des Koaxialkabels hinzuzufügen, ist eine kostengünstige Alternative zum Prüfen von Stromschienen mit hoher Bandbreite. Es ist eine Alternative zur Verwendung einer 10x-Sonde mit dem Vorteil, dass es sich um eine 1x-Sonde handelt, die das Signal nicht dämpft.

Was ist besser: 10x passiver Tastkopf oder 1x 50-Ω-Abschlusstastkopf?

Diese beiden Sondierungsmethoden können beim Sondieren von Stromschienen mit niedriger Impedanz sehr ähnliche Ergebnisse liefern. Abbildung 4 zeigt das gemessene transiente Spannungsrauschen an einem 18-V-SMPS unter Verwendung beider Prüfmethoden im gleichen Maßstab. Diese Messungen sind DC-gekoppelt, mit einem vom Oszilloskop angewendeten Offset auf einer Skala von 50 mV/div. Dies ist eine sehr empfindliche Skala von etwa 0.25 %/Div.

Der Vorteil einer 10-fach-Sonde ist ein messbarer Spannungsbereich von ±400 V gegenüber dem ±40-V-Bereich der 1-fach-Sondenmethode.

Der Nachteil des 10x Passivtastkopfes ist seine 10:1 Signaldämpfung. Dies bedeutet, dass bei der Messung kleiner Spannungen das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) reduziert werden kann.

Das typische Spitze-zu-Spitze-Rauschen des Eingangsverstärkers des Oszilloskops beträgt etwa 1 mV. Bei einer 10-fachen Sonde ist dies ein Spitzenspannungsrauschen von 10 mV. Wenn das Ziel ein SNR von 20 dB (10:1) ist und der Rauschpegel durch den Oszilloskopverstärker auf 10 mV begrenzt ist, verwenden Sie keinen 10x-Tastkopf, wenn Spannungsänderungen kleiner als 10 mV x 10 = 100 mV sind besorgniserregend. Dies ist die niedrigste Spannungsänderung, die von einem 10x-Tastkopf gemessen werden kann, während immer noch ein SNR von 20 dB erreicht wird.

Wenn 100 mV 1 % des DC-Signalpegels sind, dann wäre der Signalpegel 10 V. Bei Schienenspannungen unter 10 V würde ein passiver 10-fach-Tastkopf kein akzeptables SNR liefern.

Bei der oben beschriebenen Messung des 18-V-DC-Pegels SMPS fällt das etwas bessere SNR der 1x-Sonde auf. In Abbildung 5 wurde ein 3.3-V-SMPS mit denselben zwei Sonden gemessen. Jetzt sehen wir deutlich das bessere SNR der serienterminierten 1x-Sonde.

Diese Unterscheidung definiert die Bedingung für die Entscheidung, welche Sondierungsmethode verwendet werden soll:

Wenn Ihre Anwendung für einen Spannungspegel von 10 V DC oder höher ausgelegt ist, ist der 10-fach-Passivtastkopf die bessere Wahl. Es bietet einen höheren Spannungsbereich mit akzeptablem SNR und ist schnell, einfach und benutzerfreundlich. Und jeder hat eine 10x passive Sonde.

Wenn Ihre Anwendung für einen Spannungspegel von 10 V DC oder weniger ausgelegt ist, ist ein passiver 1x-Tastkopf mit Source-Reihenabschluss die bessere Wahl. Es bietet ein besseres SNR.

Wenn Ihre Anwendung jedoch eine Bandbreite über etwa 500 MHz hat, ist keiner der Ansätze akzeptabel. Grundsätzlich ist der 10x-Tastkopf selbst im besten Fall durch sein dämpfendes Koaxialkabel und die im Tastkopf eingebaute Entzerrungsschaltung auf weniger als 500 MHz begrenzt. Die Sondenmethode mit Source-Reihenabschluss ist durch die Induktivität der Spitzenschleife und den 50-Ω-Widerstand begrenzt. Wenn die Induktivität der Spitzenschleife etwa 15 nH beträgt, beträgt die resultierende Grenzfrequenz des Tiefpasses etwa 500 MHz. Erwägen Sie daher bei Anwendungen mit hoher Bandbreite die Verwendung eines aktiven Schienentastkopfs wie den aktiven Spannungsschienentastkopf RP4030 von Teledyne LeCroy.

Fazit

Während der passive 10-fach-Tastkopf für viele Stromschienen-Messanwendungen geeignet ist, ist der quellenserienterminierte 50-Ω-Tastkopf eine kostengünstige, leicht selbst zu bauende Alternative zum 10-fach-Tastkopf, der ein verbessertes SNR in Niederspannungs-Schienenanwendungen bietet. Für Szenarien mit hoher Bandbreite ist jedoch Teledyne LeCroy's Spannungsschienensonde RP4030 ist die beste Option.