Eine optimale Signalintegrität

Oberflächlich betrachtet, scheint die Stromversorgung in der heutigen, immer komplexeren Elektronik eine einfache Baugruppe zu sein. Mikroprozessoren und HF-Chips werden jedoch zunehmend schneller und nehmen immer weniger Leistung auf. Gerade deswegen werden sie bezüglich der Stromversorgung anspruchsvoller. Eine Stromversorgung muss unabhängig von der Last eine stabile und genaue Spannung liefern. Bei der Konstruktion der Betriebsspannungsschiene sind stets die engen Spannungstoleranzen zu beachten, zudem dürfen auf diesen Leitungen keine unerwünschten Signale auftreten. Es ist wichtig, dass bei der Konstruktion der Stromversorgung Merkmale wie periodische und zufällige Abweichungen (PARD, Periodic And Random Deviation), Störspannungen und das Verhalten bei wechselnder Last präzise erfasst werden können. In fast allen Zweigen der Elektronikbranche nutzen Ingenieure ihr Oszilloskop, um den Spannungsverlauf auf einer Betriebsspannungsschiene über die Zeit zu sehen. Meist sind diese Änderungen winzig, oft nur einige Millivolt. Manchmal ist es schwierig, solch kleine Signale zu erfassen. Das Eigenrauschen von Oszilloskop und Tastkopf kann das Nutzsignal überdecken und eine schlechte physische Verbindung kann die ganze Messung zunichte machen.

Der Tastkopf Keysight N7020A bietet für die Messung von Betriebsspannungen viele Vorteile und praktisch keine Nachteile.Keysight Technologies

Rauschen, Last und Offset

Der Signalabgriff auf einer Betriebsspannungsschiene ähnelt in vielem der Erfassung jedes anderen Signals. Einige wesentliche Unterschiede bestehen allerdings dennoch. Rauschen, Last und Offset sind die wichtigsten Kriterien. Wie bei jedem Signalabgriff ist eine möglichst geringe Belastung durch den Messaufnehmer wünschenswert, wobei bei der Messung von Betriebsspannungen die Belastung bei niedrigen Frequenzen von besonderem Interesse ist. Generell reagieren Betriebsspannungsschienen mit ihrer meist geringen Impedanz auf Belastung durch einen Tastkopf in der Regel nicht so empfindlich, dennoch ist eine geringe Last bei niedrigen Frequenzen bis hin zu Gleichstrom vorteilhaft. Der Tastkopf soll möglichst keinen nennenswerten Strom aus dem Messpunkt ziehen.

Will man kleine Spannungen auf einer Betriebsspannungsschiene genau messen, gilt wahrscheinlich dem Rauschen die größte Sorge. Obwohl eine Gleichstromversorgung grundsätzlich Gleichstrom liefert, handelt es sich nicht um perfekten Gleichstrom. Bei der Analyse von Betriebsspannungen sind (Wechselstrom-) Rauschen und Spannungsänderungen infolge von Laständerungen wesentliche Fragen. Eine Spezifikation wie etwa die PARD muss in Echtzeit gemessen werden. Eine Durchschnittsbildung ist daher nicht praktikabel. Will man die Charakteristik von Restwelligkeit und Rauschen der Stromversorgung präzise erfassen, muss das Eigenrauschen des messenden Oszilloskops minimal sein. Für eine optimale Messung ist zu berücksichtigen, was durch das Oszilloskop und den Spannungsteiler im Tastkopf an Rauschen dazukommt.

Möglichst geringes Eigenrauschen

Zuletzt spielt der Offsetbereich des Messaufnehmers eine wesentliche Rolle bei der Minimierung des Rauschens. Damit das Oszilloskop die Betriebsspannung mit möglichst geringem Eigenrauschen messen kann, braucht der Messaufnehmer den dazu passenden Offsetbereich. Stellt man den Offset des Tast­kopfes auf die Nennspannung der Stromversorgung ein, wird das Signal bei maximalem Vergrößerungs­faktor in der Mitte des Oszilloskopbildschirms dargestellt. Der Eingangsteiler steht dann in seiner emp­findlichsten Stellung, in dieser ist das Eigenrauschen des Oszilloskops am kleinsten. Je größer der Offset­bereich des Tastkopfes ist, desto größer ist der Gleichspannungsbereich, den man damit untersuchen kann. Damit lassen sich auch mehr unterschiedliche Stromversorgungen untersuchen.

Es gibt verschiedene Methoden, die Spannung auf einer Betriebsspannungsschiene mit dem Oszilloskop zu messen. Keine davon ist perfekt, alle haben ihre Schwächen. Die gängigste Technik arbeitet mit einem Koppelkondensator (oder der Betriebsart „Wechselspannung“ des Oszilloskops). Bei dieser Methode kann die Stromversorgung einfach mit einer Messleitung an einen 50-Ω-Eingang angeschlossen werden. Der größte Vorteil besteht darin, dass das Oszilloskop die Änderungen jeder Gleichspannung mit hoher Genauigkeit messen kann. Allerdings lassen sich niederfrequente Anteile damit nicht erfassen. Oft wollen Ingenieure aber langsame Änderungen oder langsame Transienten erfassen. Liegt die Frequenz der betreffenden Änderung unter der Grenzfrequenz des Filters, kann sie über einen Koppelkondensator nicht mehr beobachtet werden.

Langsame Änderungen erfassen

Bei einer weiteren gängigen Technik wird die Betriebsspannung über ein 50-Ω-Messkabel direkt an einen 50-Ω-Eingang des Oszilloskops angeschlossen. Man stellt den Offset des betreffenden Kanals auf die Nennspannung der Stromversorgung ein und kann so das Signal bei voll geöffnetem Eingangsteiler betrachten. In dieser Einstellung ist das Eigenrauschen des Oszilloskops am geringsten. Mit dieser Methode lassen sich Signale von Gleichspannung bis hin zur oberen Grenzfrequenz des Oszilloskops beobachten. Ist die Bandbreite des Oszilloskops deutlich größer als der interessierende Frequenz­bereich, ist es sinnvoller, die Bandbreite des Oszilloskops zu verringern und damit auch das Eigenrauschen.

Es gibt jedoch auch einige Nachteile bei einem direkten Anschluss. Der begrenzte Offsetbereich des Oszilloskops bei hohen Empfindlichkeiten ist der größte. Stellt man den Eingangsteiler auf maximale Empfindlichkeit (minimale „Volts/div“) ist auch der Offsetbereich minimal. Reicht der Offsetbereich nicht, ist es erforderlich, den Eingangsteiler höher zu stellen (mehr „Volts/div“). Dies erhöht allerdings das Eigenrauschen des Oszilloskops. Ein zweiter wesentlicher Nachteil ist die Belastung des Messpunkts. Bei dieser Methode muss die Stromversorgung eine zusätzliche Last von 50 Ω versorgen können. Je nach Design verhält sich die Stromversorgung mit dieser zusätzlichen Last anders als ohne. Als einfaches Beispiel könnte ein Linearregler mit einer Zusatzlast von 50 Ω einfach weniger Ausgangsspannung liefern. Ein komplexeres Designs oder eines mit geringeren Reserven kann sich auch auf ganz unerwartete Weise anders verhalten.

Signal mit hoher Empfindlichkeit betrachten

Eine andere Möglichkeit des Signalabgriffs von einer Betriebsspannungsschiene ist ein aktiver Tastkopf. Für eine solche Messung können sowohl asymmetrische als auch symmetrische Tastköpfe eingesetzt werden. Ist der Offset des Tastkopfes auf die Nennspannung der Stromversorgung eingestellt, kann man das Signal mit hoher Empfindlichkeit betrachten.

Beim Einsatz eines aktiven Tastkopfes zur Analyse einer Betriebsspannung sind mehrere Faktoren zu bedenken. Aktive Tastköpfe gibt es mit verschiedenen Offsetbereichen. Der Offsetbereich des Tast­kopfes muss die Nennspannung der Stromversorgung abdecken. Eine zweite Überlegung betrifft das Eigenrauschen. Die meisten aktiven Tastköpfe arbeiten mit Eingangsteilern, damit sie sinnvolle Spannungsbereiche abdecken. Allerdings multipliziert ein Eingangsteiler das Eigenrauschen des Oszilloskops mit dem Teilungsfaktor und erhöht das Rauschen durch das Eigenrauschen des Tastkopfes noch zusätzlich. Typischerweise weist die Messmethode mit aktivem Tastkopf ein deutlich höheres Rauschen auf als die Methode mit Koppelkondensator oder die direkte Verbindung. Da der Teilungsfaktor nennenswert zum Rauschen beiträgt, benutzt man zur Messung von Betriebsspannungen möglichst einen 1:1-Tastkopf. Obwohl aktive Tastköpfe etliche Vorteile aufweisen wie etwa minimale Belastung des Messobjekts und großer Eingangsspannungsbereich, sind sie aufgrund des hohen Rauschens für die Analyse von Betriebsspannungen die zweite Wahl.

Nachfrage nach aktiven Tastköpfen

Aktuell steigt die Nachfrage nach aktiven Tastköpfen, die speziell für die Messung von Betriebs­spannungen ausgelegt sind. Bei diesen Tastköpfen wurden zwar einige Eigenschaften herkömm­licher aktiver Tastköpfe geopfert, dafür weisen sie aber einige Merkmale auf, die sie für Messungen an Stromversorgungen prädestinieren. Sie bieten ein sehr geringes Rauschen, große Offset- und Eingangsspannungsbereiche und stellen eine minimale Gleichstromlast dar. Ein Beispiel für diesen Typ eines aktiven Tastkopfes ist der N7020A von Keysight Technologies. Er hat keinen Eingangsteiler (ist also ein 1:1-Tastkopf), einen Gleichstromwiderstand von 50 kΩ und kann Gleichspannungen bis ±24 V breit­bandig mit minimalem Rauschen und minimaler Belastung messen. Für die Messung von Betriebs­spannungen bietet dieser Tastkopf viele der oben beschriebenen Vorteile und hat dabei praktisch keine Nachteile.

Bild 1: Belastung/Frequenz für verschiedene Messaufnehmer für Stromversorgungen.Keysight Technologies

Speziell bei niedriger Frequenz ist bei Messungen an Betriebsspannungsschienen die Belastung ein Thema, wie oben erläutert. Bild 1 zeigt die Impedanz der verschiedenen geschilderten Messmethoden bei unterschiedlichen Frequenzen im Vergleich. Da die meisten Stromversorgungen eine niedrige Impedanz aufweisen, werden sie bei hoher Frequenz von den Messaufnehmern nur gering belastet. Die 50-Ω-Direktverbindung zieht nennenswert Gleichstrom, die anderen Messaufnehmer nicht. Der aktive Tastkopf ist der einzige Messaufnehmer, der bis hin zu hohen Frequenzen nur eine geringe Last darstellt. Das ist bei Messungen mit hoher Quellenimpedanz wichtig, bei Messungen an Betriebsspannungsschienen bringt das angesichts deren niedrigen Quellenimpedanz normalerweise keinen Vorteil.

Für alle genannten Messlösungen gilt, dass die ersten paar Millimeter des Messaufnehmers für die Signalintegrität entscheidend sind. Bei kleinen Messsignalen hat die physische Verbindung des Messaufnehmers zum Messpunkt einen entscheidenden Einfluss auf die Signalintegrität. Rauschen in der Messung kann vom Oszilloskop oder dem Tastkopf kommen, es kann auch bereits im Messsignal an der Tastkopfspitze vorhanden sein, aber auch Folge einer Einstrahlung in eine schlechte Verbindung sein. Eine schlechte Masseverbindung verursacht aus zwei Gründen Rauschen: durch Einstreuung in eine Masseschleife und durch elektromagnetische Einstreuung. Je länger Signal- oder Masseleitung der Messleitung sind, desto stärker kommen beide Effekte zum Tragen.

Masseanbindung verbessern

Masseschleifen sind bei asymmetrischen Tastköpfen oft ein Problem. Sie entstehen, wenn zwei oder mehr Massepfade an zwei oder mehreren Punkten miteinander verbunden sind. Unterscheidet sich das Massepotenzial des Testobjekts vom Massepotenzial des Oszilloskops, entstehen bei der Messung Probleme. In diesem Fall wandert ein Signal das Abschirmgeflecht der Messleitung hinunter und erscheint auf dem Bildschirm. Will man prüfen, ob eine Masseschleife vorliegt, sollten Masse und Signalleitung des Tastkopfes mit dem Massepotenzial des Testobjekts verbunden werden. Erscheint dann auf dem Oszilloskop immer noch ein Signal, muss die Masseschleife beseitigt werden, etwa indem man die Masseanbindung des Testobjekts und des Oszilloskops verbessert oder das Oszilloskop niederohmig direkt mit der Masse des Testobjekts verbindet.

Rauschen kann auch von elektromagnetischer Einstreuung herrühren. In diesem Fall wirkt die Masseleitung wie eine Rundantenne mit einer Windung. Jeder Schaltkreis in der Nähe kann elektromagnetische Energie abstrahlen, die der Tastkopf aufnimmt und das Messinstrument dann anzeigt. Bewegt man die Masseleitung, und das Rauschen ändert sich dadurch, liegt offensichtlich eine Einstrahlung der beschriebenen Art vor. Die Strahlungsquelle lässt sich auch ermitteln indem man den Tastkopf vom Testobjekt löst und seine Spitze mit der Masseleitung verbindet. Damit hat man praktisch eine Antenne. Nähert man diese den möglichen Störern kann auf diese Weise die Strahlungsquelle ermittelt werden.

Bild 2: Ein Pigtail, das mit kürzestmöglicher Länge (und somit Induktivität) der Masseleitung an einen Kondensator der Größe 0402 angelötet ist.Keysight Technologies

Bei asymmetrischer Messung ist ein vorbereitetes Stück Koaxkabel, ein sogenanntes „Pigtail“ normalerweise die günstigste physische Verbindung für die Messung von Betriebsspannungen. Bild 2 zeigt den Mittenleiter des Pigtails, der das Dielektrikum überragt, und das verzinnte Abschirmgeflecht. So kann das Pigtail leichter zwischen Versorgungsspannung und Masse gelötet werden. Der Masseleiter ist nicht mehr unbedingt erforderlich, somit ist seine Induktivität minimal. Weiterhin ist die Fläche der Schleife, die Mittenleiter und Masseleitung bilden, minimal, dadurch ist die Verbindung relativ unempfindlich gegen Einstrahlung. Stützkondensatoren sind oft günstige Messpunkte, an denen man eine Stromversorgungsleitung mit einem Pigtail abgreifen kann. Der Mittenleiter wird an die Spannungsseite des Stützkondensators gelötet, das Abschirmgeflecht an die Masseseite (Bild 2).

(ah)