Einführung

Bei der Untersuchung von Stromverteilungsnetzen (PDNs) in eingebetteten Systemen spielen viele Überlegungen eine Rolle. Interessante Signale sind oft sehr kleine Signale, die auf größeren Spannungen liegen, daher muss das Rauschen des Messsystems gut verstanden und verwaltet werden. Impedanzfehlanpassungen im Signalpfad können Reflexionen von höherfrequenten Inhalten verursachen. Einige Sondenoptionen bieten möglicherweise nicht genügend Offset-Bereich, um Schienenspannungen anzupassen. Bandbreitenbeschränkungen können die Erfassung und Charakterisierung von hochfrequentem Rauschen behindern. Und da die PDN-Impedanzen bei DC oft nur 1 Ω und darunter betragen, können niederohmige Sondenoptionen das DUT unannehmbar belasten. In dieser Application Note werden wir verschiedene Power-Rail-Testing-Optionen für die 12-Bit-High-Definition-Oszilloskope von Teledyne LeCroy erörtern und wie sie in Bezug auf die obigen Überlegungen abschneiden.

Übersichten zu Sondierungsoptionen und Rauschvergleichen

Im Allgemeinen gibt es fünf Ansätze zum Prüfen von Stromschienen mit High-Definition-Oszilloskopen (Tabelle 1):

Wie bei den meisten Oszilloskopen sind alle 12-Bit-Instrumente von Teledyne LeCroy mit einem Satz passiver 10-MΩ-Tastköpfe ausgestattet. Die Bandbreite für solche Sonden beträgt typischerweise ~500 MHz. Beim Anschluss an einen gekoppelten 1-MΩ-Oszilloskopeingang sorgt die hohe Impedanz des Tastkopfs für gute DC-Ladeeigenschaften.

Beim passiven 10-MΩ-Tastkopf muss die Erdung berücksichtigt werden. Die Verwendung des typischen 3-Zoll-Erdungskabels kann zu hohen HF-Interferenzpegeln, hoher Induktivität und Signalschwingungen führen. Die kürzere Masseleitung vom Federtyp ist im Allgemeinen vorzuziehen; es weist eine kleinere „Antenne“ und damit weniger HF-Aufnahme sowie eine kürzere Induktionsschleife auf, die das Überschwingen reduziert (siehe Anwendungshinweis mit dem Titel „Getting the Most Out of 10x Passive Probes“).

Der passive 10-MΩ-Tastkopf hat eine Dämpfung von 10:1, was bedeutet, dass das Signal 10x gedämpft wird, aber das Rauschen im Messsystem unbeeinflusst bleibt – daher ist das SNR 20 dB niedriger als bei einem 1:1-Tastkopf oder einer direkten Verbindung. Wie aus Abbildung 1 ersichtlich, wird das Signal aufgrund der 80:10-Dämpfung als 1 mV-Vollausschlag angezeigt, wodurch die Empfindlichkeit in diesem Fall auf 10 mV/div oder höher begrenzt wird.

(Hinweis: Um die Rauschleistung aller fünf Methoden zu vergleichen, haben wir jede auf dieselbe 900-mV-Schiene angewendet. Alle Signale wurden für einen gerechten Vergleich auf 500 MHz Bandbreite begrenzt, und die Eingangspegel wurden angepasst, um das verfügbare SNR zu maximieren erforderlicher Offset. In jedem Beispiel sind die unteren Spuren Zooms bei 5 mV/div.)

Die zweite Prüfoption für Stromschienen mit High-Definition-Oszilloskopen ist a koaxiale Verbindung zum 1-MΩ-Eingang des Oszilloskops. Die Hauptvorteile von Koaxialverbindungen zum DUT, ob in das DUT eingebaut oder über eine Lötverbindung erreicht, sind zwei: hohe Bandbreite am Verbindungspunkt und eine kleine Masseschleife für eine geringe HF-Aufnahme.

Die Verwendung der 1-MΩ-Eingangskopplung des Oszilloskops bringt die Vorteile einer geringen Belastung und einer 1:1-Dämpfung für geringes Rauschen. Andererseits gibt es am Oszilloskopende eine begrenzte Bandbreite von 1 GHz oder weniger und mögliche Reflexionen von Hochfrequenzinhalten.

Abbildung 2 zeigt die Messung der 900-mV-Schiene mit einer koaxialen Verbindung zum 1-MΩ-Eingang des Oszilloskops. Ohne Dämpfung ermöglicht dieser Ansatz ein hohes SNR, aber die Impedanzunterbrechung vom 50-Ω-Koaxialkabel zum 1-MΩ-Eingang kann Reflexionen verursachen. Die hohe Offset-Fähigkeit der HD4096-Oszilloskope von Teledyne LeCroy bedeutet, dass wir den Eingang ausreichend versetzen konnten, um ihn an die 900-mV-Schiene anzupassen, während die maximale vertikale Empfindlichkeit beibehalten wurde.

Eine dritte Möglichkeit, a koaxialer Anschluss an die 50-Ω-Eingangskopplung des Oszilloskops, unterscheidet sich von der vorherigen Option dadurch, dass es eine noch höhere Bandbreite bietet. Der kleine Offset-Bereich, den es bietet, kann jedoch für einige Oszilloskope ein Problem darstellen. Es können auch Belastungsprobleme auftreten, wenn eine Stromschiene mit extrem niedriger Impedanz (viel weniger als 1 Ω) mit dem 50-Ω-Oszilloskopeingang belastet wird.

Das Messen der 900-mV-Schiene mit einer Koaxialverbindung zum 50-Ω-Eingang des Oszilloskops ermöglicht ebenfalls ein hohes SNR, und Teledyne LeCroy HD4096 High Definition-Oszilloskope haben ausreichend Spielraum, um mit dem Oszilloskopeingang ohne nachteilige Empfindlichkeitseffekte zu kompensieren (Abbildung 3).

Da diese Schiene eine hohe Impedanz aufweist, ist die 50-Ω-Last kein Problem. Handelt es sich jedoch um eine sehr niederohmige Schiene, könnte die Belastung ein erhebliches Problem darstellen.

Sondierungsoption Nr. 4 ist a 10:1 Koaxialsonde. Diese können mit Koaxialkabel und einem 450-Ω-Widerstand selbst hergestellt oder im Handel erworben werden. Eine 10:1-Koaxialsonde dämpft das Eingangssignal um 10:1, wenn sie an den gekoppelten 50-Ω-Eingang des Oszilloskops angeschlossen wird. Die effektive Bandbreite kann sehr hoch sein, was eine Funktion der Verbindungsqualität zum DUT ist. Die 10:1-Dämpfung fordert jedoch die gleiche Rauschstrafe von 20 dB wie der passive 10-MΩ-Tastkopf (Abbildung 4). Eine Belastung bei 450 Ω kann je nach PDN-Impedanz akzeptabel sein.

Schließlich die fünfte Option, die Spannungsschienensonde, wurde speziell für das Prüfen von Spannungsschienen entwickelt (ein Beispiel ist die aktive Spannungsschienensonde RP4030 von Teledyne LeCroy). Dieser Tastkopf bietet eine hohe Bandbreite von 4 GHz, geringes Rauschen mit einer Dämpfung von nur 1.2x und eine hohe Offset-Fähigkeit von ±30 V DC.

Bei der Messung der 900-mV-Schiene mit dem Spannungsschienentastkopf RP4030 liefert die 1:1-Dämpfung des Tastkopfs ein geringes Rauschen, während sein großer DC-Offsetbereich von bis zu 30 V für die anstehende Aufgabe mehr als geeignet ist (Abbildung 5). Es weist auch eine 50-kΩ-Last bei DC auf, was bedeutet, dass keine signifikante Stromaufnahme von einer niederohmigen Schiene erfolgt.

Offset- und Empfindlichkeitsvergleich: 3.3-V-Schiene

Gleichzeitig kann die Spannungsschienensonde die volle Empfindlichkeit bei einem sehr großen Offset erreichen, was ein höheres SNR und genauere Messungen ermöglicht (Abbildung 7). Das Messen bei einem vollen Eingangsbereich von 40 mV Spitze-Spitze bedeutet, dass mehr ADC-Auflösung angewendet wird, um das Signal zu digitalisieren, was für die SNR-Verbesserung verantwortlich ist.

Bandbreitenvergleich: Rauschende 3.3-V-Schiene

Um die Bandbreiten der fünf Ansätze zum Prüfen von Spannungsschienen zu vergleichen, haben wir ein 4-GHz-Oszilloskop eingesetzt, um eine 3.3-V-Schiene mit starker Verschmutzung durch ein Hochfrequenz-Taktsignal zu messen. Auch hier wurden die Eingangspegel angepasst, um das SNR zu maximieren, wie es beim erforderlichen Offset verfügbar ist.

Da die Bandbreite auf 500 MHz begrenzt war, war der passive 10-MΩ-Tastkopf nicht in der Lage, den gesamten Hochfrequenzinhalt des Signals zu erfassen (Abbildung 8, oben links). Ebenso hat die koaxiale Verbindung zum 1-MΩ-gekoppelten Eingang des Oszilloskops mehr Bandbreite bei 1 GHz, aber immer noch nicht genug, um das gesamte Spektrum des verrauschten Taktsignals abzudecken (Abbildung 8, oben rechts).

Die Verwendung des Koaxialkabels zum 50-Ω-Eingang des Oszilloskops ist etwas besser, da eine Bandbreite von 4 GHz vorhanden ist: genug, um das gesamte Spektrum des verrauschten Signals zu erfassen. Um jedoch bei dieser Kopplungs- und Bandbreitenbedingung einen ausreichenden Offset zu erreichen, ist die Empfindlichkeit begrenzt (Abbildung 8, Mitte links).

Die 10:1-Koaxialsonde hat ihrerseits ebenfalls eine Bandbreite von 4 GHz für die Vollspektrumerfassung. Die 10:1-Dämpfung der Sonde geht jedoch mit einer 20-dB-Reduzierung des SNR einher (Abbildung 8, Mitte rechts).

Bei Verwendung des Spannungsschienentastkopfs RP4030 zur Messung der verrauschten 3.3-V-Schiene verfügt der Tastkopf nicht nur über genügend Bandbreite für die Erfassung des gesamten Spektrums, sondern auch über keine Dämpfung und einen sehr breiten Offsetbereich (Abbildung 8, unten). Beachten Sie in einem Overlay-Vergleich der 10:1-Koaxialsonde und der RP4030-Sonde (Abbildung 9) den Unterschied im Grundrauschen zwischen der ersteren (in grün) und der letzteren (in grau).

Fazit

Die verschiedenen Optionen zum Prüfen von Stromschienen mit Teledyne LeCroy's 12-Bit-High-Definition-Oszilloskope stellen ihre jeweiligen Stärken und Schwächen vor. Einige, wie der passive 10-MΩ-Tastkopf, stellen eine geringe Belastung der Stromschiene dar, bieten aber auch eine begrenzte Bandbreite. Andere, wie eine Koaxialverbindung zum 50-Ω-Eingang des Oszilloskops, sind problematisch in Bezug auf die Belastung, wenn die Schienenimpedanz niedrig ist, aber eine hohe Bandbreite bietet. Die Ausnahme ist die Spannungsschienensonde RP4030, das speziell für das Messen von Stromschienen entwickelt wurde und so konzipiert ist, dass diese Kompromisse eliminiert werden.