Störspannungsmessungen an DC-Versorgungen Rauschende Ströme

Höhere Schaltgeschwindigkeiten, steilere Flanken, kleinere Signalhübe sowie steigende Anzahl und Dichte der Signalanschlüsse von ICs bedingen, dass höhere Störspannungen auf die Stromversorgungsleitungen geraten.

Störspannungsmessungen an DC-Versorgungen

Höhere Schaltgeschwindigkeiten, steilere Flanken, kleinere Signalhübe sowie steigende Anzahl und Dichte der Signalanschlüsse von ICs bedingen, dass höhere Störspannungen auf die Stromversorgungsleitungen geraten. Gleichzeitig werden die Schaltungen gegenüber Störspannungen immer empfindlicher, weil geringere Signalhübe weniger Reserven bieten. Mit geeigneten Oszilloskop-basierten Messverfahren lassen sich derartige Störungen im Design untersuchen.

Auf einer Betriebsspannung gibt es im Idealfall keine Störungen. Wie also kommen Störspannungen dorthin? Normales weißes Rauschen, das unvermeidlich durch die Temperaturbewegung entsteht, spielt gemeinhin keine Rolle. Bei den meisten Digitalschaltungen sind Schaltvorgänge die dominierende Quelle.

Schaltnetzteile erzeugen prinzipbedingt Störspannungen, normalerweise Harmonische der Schaltfrequenz oder zumindest Schwingungen, die mit der Schaltfrequenz phasensynchron sind. Wenn Gatter oder Ausgänge von Digitalschaltungen schalten, resultiert daraus ein plötzlicher Strombedarf. Diese Schaltvorgänge können grundsätzlich zu zufälligen Zeiten vorkommen, meistens aber erfolgen sie in Phase mit irgendwelchen Systemtakten. Man wird sie daher eher als überlagerte »Signale« auf den Versorgungsleitungen begreifen denn als statistisches »Rauschen« (siehe Bild 1). Es erleichtert die Analyse und führt zu besseren Ergebnissen, wenn man Störspannungen unter diesem Aspekt betrachtet.

Entwicklungsingenieure greifen normalerweise zum Oszilloskop, wenn sie Störspannungen auf der Betriebsspannung messen wollen, weil solche Effekte grundsätzlich breitbandiger Natur sind. Oszilloskope können einen einzigartigen Einblick in die Natur von Störspannungen bieten. Leider haben breitbandige Digitaloszilloskope und Oszilloskop-Tastköpfe ein gewisses Eigenrauschen, das man nicht vernachlässigen darf. Wenn die zu messenden Störspannungen der Stromversorgung in der gleichen Größenordnung liegen wie das Eigenrauschen von Oszilloskop und Tastkopf, muss der Entwickler bei der Messung der Störspannungen besonders überlegt vorgehen.

Ein weiteres Problem ist der Dynamikbereich. Ein Netzteil gibt eine Gleichspannung ab; die Störspannungen sind im Vergleich dazu ganz kleine Wechselspannungen, die der Gleichspannung überlagert sind. Bei einigen Oszilloskopen und Tastköpfen reicht in den unteren Messbereichen der Bereich der Offset-Einstellung nicht. Somit kann der Anwender keinen empfindlicheren Messbereich wählen, mit dem er die Störspannungen besser darstellen könnte und in dem das Eigenrauschen weniger zum Tragen kommt. Um Störspannungen von Stromversorgungen besser zu messen, eignet sich eine Reihe von Methoden.

Es sollte selbstverständlich sein, dass der Entwickler für eine möglichst geringe Verfälschung der Messung ein Oszilloskop und einen Tastkopf wählt, die ein möglichst geringes Eigenrauschen aufweisen. Das allein ist aber ist nur der halbe Weg.

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