DC-Spannungsquellen validieren (Teil 1) Rauschen messen mit Oszilloskopen

Dieser zweiteilige Artikel diskutiert Herausforderungen bei der Charakterisierung und Analyse von DC-Spannungsquellen und zeigt, worauf es bei der Auswahl und Evaluierung der dafür verwendeten Tools ankommt.

Die Integrationsdichte von Halbleiterbauelementen nimmt, dem Mooreschen Gesetz folgend, unablässig zu. Smartphones haben heutzutage daher die Rechenleistung früherer Workstations, die Ausstattung von Spielekonsolen gleicht der älterer Supercomputer. Solche Produkte erfahren hohe öffentliche Aufmerksamkeit. Weniger Beachtung finden derzeit noch Mikrocontroller, die gleichermaßen leistungsfähiger werden und Hausgeräte, Autos, medizinische Geräte, Wearables, IoT-Produkte und viele andere Anwendungen automatisieren. Für Verbraucher ist diese Entwicklung erfreulich: Produkte werden benutzerfreundlicher und flexibler, Upgrades können komfortabel im Hintergrund eingespielt werden. Viele Entwickler stehen deshalb vor neuen Herausforderungen. Bisher rein elektrische oder elektromechanische Produkte wie Thermostate enthalten jetzt mikrocontrollerbasierte Schaltungen. Für zuverlässigen Betrieb benötigen diese eine verlässliche DC-Spannungsquelle. Zur Entwicklung und Implementierung robuster Stromverteilung gehören sorgfältige Tests, häufig unter Verwendung von Echtzeitoszilloskopen.

Das Problem

Mit zunehmender Taktfrequenz mikrocontrollerbasierter Schaltungen steigen auch die Qualitätsanforderungen an die DC-Spannungsversorgung der Schaltungen. Denn Störungen auf der Versorgungsspannung können die dominante Ursache von Takt- und Datenjittern in digitalen Systemen sein. So kann bei Digitalbaugruppen ein kurzzeitiger Spannungseinbruch zu Signalverzögerungen innerhalb eines Chips führen. Bewirkt dies eine Überschreitung zulässiger Takttoleranzen, können daraus Bitfehler resultieren. Um dem entgegenzuwirken, sollte die Ausgangsspannung einer DC-Spannungsquelle eine Toleranz von weniger als ±5 % aufweisen. Mit steigender Schaltfrequenz und Flankensteilheit steigt umgekehrt auch die Wahrscheinlichkeit, dass das Schaltrauschen aus der versorgten Schaltung in die Spannungsquelle einstreut. Dieses breitbandige Schaltrauschen kann Spektralanteile bis weit über 1 GHz enthalten.

Die Reduktion der Signalamplitude erhöht die Schaltgeschwindigkeit eines digitalen Systems. Damit steigen allerdings auch die Anforderungen an die Rauscharmut der Spannungsquelle. Die Reduktion der Ausgangsspannungstoleranz einer Spannungsquelle ist energieeffizient: Wird die Toleranz einer Ausgangsspannung von 10 % auf 5 % reduziert, verringert dies die Leistungsaufnahme der angeschlossenen Schaltung um bestenfalls 5 %. Die Herausforderung für Entwickler besteht also darin, die Ausgangsspannung einer Spannungsquelle einschließlich deren Welligkeit und des überlagerten Hochfrequenzrauschens fehlerfrei und exakt zu messen. Diese Messungen aber können schwieriger sein als landläufig angenommen.

Stromverteilung und Spannungsintegrität

Eine Schaltung erhält ihre Versorgungsspannung über eine Stromverteilung (»PDN«, Power Distribution Network), die mit passiven Bauelementen und Steckverbindern von der Spannungsquelle zur Last führt, dies ist letztlich der Prozessor. Zur vollständigen Charakterisierung dieser Stromverteilung sind Messungen über einen Bereich von DC bis zu mehreren Gigahertz erforderlich. Die gebräuchlichsten Messungen zur Bewertung der Integrität einer Versorgungsspannung sind:

  • »Pard« (Periodic and Random Deviation) bezeichnet sämtliche Abweichungen der tatsächlichen Spannung von ihrem Mittelwert, unter Beibehaltung aller übrigen Parameter (Bild 1). Der Pard-Wert ist ein Maß für der DC-Ausgangsspannung überlagerte unerwünschte Wechselspannungs- und Rauschkomponenten, die robust gegen Regler und Filterschaltungen sind. Üblicherweise wird der Wert als Effektivwert über eine Bandbreite von 20 Hz bis 20 MHz bestimmt, doch auch Spitze-zu-Spitze-Werte werden genannt. Pard-artige Schwankungen mit Frequenzen unterhalb von 20 Hz heißen »Drift«.
  • Das Lastregelverhalten charakterisiert die Fluktuation der Ausgangsspannung einer Spannungsquelle bei quasistatischer oder transienter Laständerung. In der Regel wird die Zeit genannt, in der die Ausgangsspannung unter definierter Last¬änderung in ein Toleranzband um den Nennwert zurückkehrt.
  • Rauschen ist der Oberbegriff für zufällige Abweichungen der tatsächlichen Ausgangsspannung vom Nennwert. Rauschen umfasst sowohl zufällige Komponenten wie thermisches Rauschen als auch Störsignale wie die Schaltsignale benachbarter Schaltungen, aber auch Pard und Lastregelungseffekte.

Rauschursachen in DC-Spannungsquellen

Die Ausgangsspannung einer idealen DC-Spannungsquelle ist völlig rauschfrei. Eine reale DC-Spannungsquelle hingegen ist mit Rauschquellen elektrisch verbunden. So verursacht die thermische Bewegung von Ladungsträgern in der Schaltung Rauschen Gaußscher Statistik. Dominant ist jedoch das Schaltrauschen der Spannungsquelle und das von den Schaltströmen der versorgten Schaltung verursachte Rauschen. Die Zufallskomponente des Schaltrauschens ist die nichtlineare Antwort der Schaltung auf das externe Taktsignal. Für die Validierung ist es vorteilhaft, das Rauschen auf der Ausgangsspannung als Kombination der beiden Schaltprozesse zu betrachten.

Herausforderungen bei der Messung

Oszilloskope eignen sich prinzipiell gut zur Messung des Rauschens von DC-Spannungsquellen. Mit genügend großer Bandbreite wird das gesamte Rauschsignalspektrum erfasst. Oszilloskope sind einfach zu bedienen und leicht verfügbar. Allerdings produzieren breitbandige Echtzeitoszilloskope und deren Tastköpfe ein gewisses Eigenrauschen: Die Messung ist schwierig, wenn das Eigenrauschen in der Größenordnung des zu analysierenden Signalrauschens liegt.

Eine weitere Herausforderung ist ein großer dynamischer Messbereich. Denn die zu testende Spannungsquelle liefert eine um viele Größenordnungen höhere Gleichspannung, als die schwachen Wechselspannungs- und Rauschsignale. Diese DC-Komponente sollte mit einer entgegengesetzt gepolten Offsetspannung kompensiert werden. Dadurch kann das dann allein verbleibende schwache Wechselspannungssignal mit einem empfindlicheren Ein¬gangsbereich hoch aufgelöst werden, sofern dessen Eigenrauschen das zu messende Rauschen nicht verdeckt. Der Trick der Kompensation ist allerdings nicht mit jedem Oszilloskop und Tastkopf möglich.

Oszilloskop-Eigenrauschen

Bild 2 veranschaulicht die Rauschquellen eines Oszilloskops. Ein Oszilloskop mit aktivem Tastkopf hat zwei dominante Rauschquellen: Den Vorverstärker im Tastkopf und den Eingangsverstärker (Impedanzwandler) im Oszilloskop.

Die Eingangsempfindlichkeit eines Oszilloskops wird über ein Dämpfungsglied eingestellt. Im empfindlichsten Eingangsbereich beträgt der Dämpfungsfaktor 1, das Eingangssignal gelangt ohne jede Dämpfung zur Messschaltung im Oszilloskop. Das Eigenrauschen des Oszilloskops ist unabhängig vom Dämpfungsfaktor. Mit fallender Empfindlichkeit steigt die Dämpfung (auf z. B. 5): Das Eigenrauschen des Oszilloskops steigt dann relativ zum Eingangssignal.

Als konkretes Beispiel sei ein Oszilloskop betrachtet, das eine Grundempfindlichkeit (Dämpfungsfaktor 1) von 5 mV/div und ein Eigenrauschen von 500 µV(eff) bei 5 mV/div aufweist. Wenn die Eingangsempfindlichkeit des Oszilloskops auf beispielsweise 50 mV/div sinkt (Dämpfungsfaktor 10), wird das Eingangssignal um das Zehnfache abgeschwächt (Bild 3). Das Rauschen erscheint dann gegenüber dem Messsignal um Faktor 10 stärker, also 10 x 500 µV = 5 mV(eff). Selbiges gilt auch für Messungen mit einem Teilertastkopf. Das Eigenrauschen des Oszilloskops erscheint dann relativ zum Eingangssignal um den Teilungsfaktor des Tastkopfs größer.

Mit den FFT-Funktionen eines Oszilloskops (Fast Fourier Transform) werden Signale in der Frequenzebene analysiert. Dies erleichtert die Identifikation von Rauschquellen. Allerdings müssen diese Funktionen mit Bedacht angewandt werden.

Umsichtige Anwendung der FFT-Funktionen

Ein Oszilloskop erfasst nach dem Triggerereignis einen endlichen Signalabschnitt, dessen maximale Dauer von der verfügbaren Signalspeicherkapazität und der Abtastrate abhängen. Die FFT kann keine Frequenzen des Eingangssignals auflösen, die kleiner als der Kehrwert dieser Erfassungszeit sind. Die kleinste mittels FFT analysierbare Frequenz ist gleich dem Quotienten aus Abtastrate und Speichertiefe. Zur Erfassung einer Rauschquelle in der FFT sind genügend Sampels erforderlich, die Speichertiefe des Oszilloskops muss daher hinreichend groß gewählt werden. Bei 33 kHz Schaltfrequenz eines Schaltnetzteils bedeutet dies mindestens 1/33 kHz, also einen 30 µs langen Signalabschnitt. Bei 20 GSamples/s Abtastrate ist dazu eine Speichertiefe von 600.000 Samples nötig. Die FFT-Berechnung nutzt in der Regel nur den auf dem Bildschirm angezeigten Signalabschnitt.

Zehn Tipps zur Rauschsignalmessung

Folgende Tipps helfen bei Messungen an DC-Spannungsquellen. Im zweiten Teil des Artikels werden diese Tipps näher erläutert.

  • Verbinden Sie die Spannungsquelle zunächst noch nicht mit dem Oszilloskop. Schalten Sie das Oszilloskop bei offenem Eingang zunächst auf 50 Ω Eingangsimpedanz. In der Regel ist das Oszilloskop-Eigenrauschen dort kleiner als am hochohmigen Eingang. Führen Sie damit Vorabmessungen durch, um das Eigenrauschen des Oszilloskops zu bestimmen. Vergessen Sie nicht, danach wieder auf hochohmigen Eingang umzuschalten.
  • Wählen Sie die Bandbreite ausreichend groß, um auch steilflankige Transienten und relevantes Rauschen zu erfassen.
  • Wählen Sie am Oszilloskop die Bandbreite nicht unnötig größer als für die Messung unbedingt erforderlich.
  • Verwenden Sie Tastköpfe mit möglichst kleinem Teilerverhältnis, idealerweise 1:1.
  • Belasten Sie die Spannungsquelle niemals mit dem oszilloskopinternen 50-Ω-Abschlusswiderstand.
  • Kompensieren Sie die Gleichspannungskomponente der Spannungsquelle mit einem entsprechenden Tastkopfoffset. Lösen Sie die Wechselspannungskomponente möglichst genau (hoch) auf.
  • Vorsicht bei der Verwendung eines DC-Sperrkondensators!
  • Analysieren Sie das Rauschspektrum mithilfe der FFT-Funktionen.
  • Triggern Sie auf die als Rauschquellen verdächtigen Signale, unterdrücken Sie unkorreliertes Rauschen durch Mittelung.
  • Verwenden Sie einen Stromschienen-Tastkopf (»Rail Probe«).