Spannungsversorgungen prüfen 7 Tipps für bessere Messergebnisse

Rauscharme, breitbandige Oszillo­skope wie das 8-GHz-R&S-RTP erlauben eine schnelle und präzise Charakterisierung von Spannungsversorgungen. Power-Rail-Tastköpfe werden für diese Messungen speziell entwickelt.
Rauscharme, breitbandige Oszillo­skope wie das 8-GHz-R&S-RTP erlauben eine schnelle und präzise Charakterisierung von Spannungsversorgungen. Power-Rail-Tastköpfe werden für diese Messungen speziell entwickelt.

Viele Oszilloskope sind für Power-Integrity-Messungen an 5-V-Schaltkreisen ausreichend. Mittlerweile werden ICs und FPGAs mit deutlich niedrigeren Spannungen versorgt. Den verschärften Messanforderungen kann der Entwickler aber mit einigen Maßnahmen begegnen.

Die Spannungsversorgung moderner ASICs, FPGAs und ICs muss zunehmend strengeren Anforderungen genügen. Folglich muss sie mit immer niedrigeren Spannungen und engeren Toleranzen getestet werden. Diese Tests werden mit Oszilloskopen durchgeführt.

Die scharfen Anforderungen führen dazu, dass der Messfehler von herkömmlichen Oszilloskopen in die Größenordnung des Messwerts fällt und damit zum Problem wird. Bei der Messung einer 1,5-V-Spannungsversorgung mit einer Toleranz von 2 % beispielsweise kommt es auf jedes Millivolt an. Darüber hinaus können schnelle digitale Signale und andere Störquellen auf eine Spannungsversorgung eingekoppelt werden. Die Messung und Beurteilung der Einkopplung erfordert Oszilloskope mit Bandbreiten im GHz-Bereich.

Dieser Beitrag erläutert in sieben Schritten, wie sich Rauschen auf Spannungsversorgungen schnell und präzise charakterisieren lässt und wie eingekoppelte Signale identifiziert werden können.

1. Ein rauscharmes Oszilloskop wählen

Messungen können nur so gut sein wie das Rauschen des Messsystems. Je niedriger das Eigenrauschen des Oszilloskops, desto besser die Ergebnisse. Bei der Messung einer 1,8-V-Spannungsversorgung mit 2 % Toleranz beispielsweise erweist sich ein kombiniertes Rauschen von Oszilloskop und Tastkopf von 10 mV als problematisch, da sich dieses Rauschen zum Messsignal addiert.

Oszilloskophersteller charakterisieren und spezifizieren den Effektivwert der Rauschspannung für jede Einstellung der vertikalen Eingangsempfindlichkeit. Diese Angaben sind bei der Suche nach einem rauscharmen Oszilloskop ein guter erster Anhaltspunkt. Hinsichtlich der Power Integrity sind jedoch die Spitze-Spitze-Spannung und insbesondere potenzielle Ausreißer – die höchsten Peaks – auschlaggebend. Dieser Wert kann problemlos für ein Oszilloskop bestimmt werden. Dafür müssen lediglich alle externen Verbindungen von den Eingängen entfernt werden, um anschließend die Spitze-Spitze-Amplitude bei der gewünschten vertikalen Einstellung zu bestimmen.

Viele neuere Oszilloskope bieten 10 oder 12 Bit vertikale Auflösung. Die bei diesen Oszilloskopen zusätzlich verfügbare Auflösung geht jedoch fast immer im Rauschen unter, sofern nicht Mittelung oder ein hochauflösender Modus verwendet wird. Bei den heute verfügbaren Oszilloskopen bremst das Frontend-Rauschen die Fortschritte bei der vertikalen Auflösung noch aus. Für die Beurteilung der Messgenauigkeit ist daher der Rauschpegel aussagekräftiger als die Anzahl der Bits für die vertikale Auflösung.

2. Den 50-Ω-Eingangspfad verwenden

Viele Oszilloskope bieten 50-Ω- und 1-MΩ-Eingangspfade. Der 50-Ω-Pfad ist generell rauschärmer. Aktive Tastköpfe verwenden ohnehin den 50-Ω-Pfad für Power-Integrity-Messungen. Die Messung des Spitze-Spitze-Rauschens des Oszilloskops zusammen mit dem verwendeten Tastkopf am 50-Ω-Pfad ergibt den zu erwartenden Messfehler.

3. Die höchste vertikale Eingangsempfindlichkeit nutzen

Das Rauschen eines Oszilloskops hängt von der gewählten vertikalen Eingangsempfindlichkeit ab. Je höher die Eingangsempfindlichkeit, desto geringer das Rauschen. Bei den meisten Oszilloskopen nimmt jedoch der verfügbare Offsetbereich bei hohen vertikalen Eingangsempfindlichkeiten ab. Bei einer Einstellung von 10 mV/Div bietet das Oszilloskop beispielsweise nur noch einen internen Offset-Einstellbereich von 120 mV. Um das Signal am Bildschirm sichtbar zu machen, muss der Anwender eine niedrigere vertikale Empfindlichkeit wählen, womit sich die Messgenauigkeit verschlechtert.

Ein begrenzter interner Offset lässt sich auch mit anderen Methoden kompensieren: Ein Trennkondensator beispielsweise eliminiert den Gleichspannungs-Offset (DC-Offset). Dies löst einerseits das Problem eines unzureichenden internen Offsets, bewirkt aber andererseits, dass niederfrequenter Drift, der beim Ein- und Ausschalten von Subsystemen auftreten kann, nicht mehr sichtbar ist. AC-Kopplung ist eine weitere Möglichkeit zur Gleichspannungsblockierung bei Oszilloskopen, unterliegt jedoch derselben Einschränkung wie ein Trennkondensator – auch hier ist niederfrequenter Drift nicht mehr sichtbar. Bei vielen Oszilloskopen ist AC-Kopplung außerdem nur für den 1-MΩ-Pfad möglich.

4. Bandbreitenbegrenzung reduziert Rauschen

Oszilloskope mit größeren Bandbreiten gewinnen an Bedeutung, da sie eingekoppelte Signale wie Hochgeschwindigkeits-Taktsignale auf der Versorgungsspannung sichtbar machen. Da das Rauschen von Oszilloskop und Tastkopf eine gleich verteilte Rauschdichte über die gesamte Bandbreite aufweist, erhält man bei Verwendung der maximalen Bandbreite erhöhte Rauschmesswerte auf der Versorgungsspannung.

Sofern das Einkoppeln von hochfrequenten Signalen ausgeschlossen ist, kann die Oszilloskopbandbreite begrenzt werden. Das reduziert das Breitbandrauschen und führt zu einer deutlich besseren Messgenauigkeit. Eine häufige Frage ist, wie weit die Messbandbreite reduziert werden sollte.

Bewährt hat sich der Ansatz, mit Hilfe der FFT-Funktion (Fast Fourier Transformation) die größtmögliche Bandbreitenreduzierung zu bestimmen, bei der periodische und zufällige Störsignale auf der Spannungsversorgung noch erfasst werden können (Bild 1). Basierend auf der FFT-Messung kann die Bandbreite reduziert werden, sofern keine höherfrequenten Signale vorhanden sind. Eine einfache Methode ist, das Signal selbst zu betrachten. Verändert sich die Signalform bei der Reduzierung der Bandbreite, so wurde die Bandbreite zu weit reduziert (Bild 2).

5. Power-Rail-Tastkopf verwenden

Die meisten Oszilloskophersteller bieten Tastköpfe speziell für Messungen an Versorgungsspannungen an, sogenannte Power-Rail-Tastköpfe. Sie weisen andere Eigenschaften auf als normale Tastköpfe. Ein großer integrierter Gleichspannungs-Offset gleicht beispielsweise den zu geringen internen Offset eines Oszilloskops aus. Damit können Anwender die kleinste vertikale Eingangsempfindlichkeit für minimales Rauschen wählen.

Die Tastköpfe haben in der Regel ein Tastverhältnis von 1:1 und führen damit zu einer wesentlich nie­drigeren Rauschanzeige als Standard-Tastköpfe mit einem Tastverhältnis von 10:1. Außerdem weisen sie eine hohe Eingangsimpedanz von typisch 50 kΩ auf. Der Impedanzwert einer Spannungsversorgung liegt demgegenüber typischerweise im mΩ-Bereich.

Power-Rail-Tastköpfe bieten unterschiedlichste Anschlussmöglichkeiten zur Testpunktkontaktierung, beispielsweise ein koaxiales 50-Ω-Anschlusskabel für sehr hohe Messqualität oder einen Browser für hohe Flexibilität. Die Verwendung eines SMA-Anschlusses plant man idealerweise von Anfang an ein, da dieser als integrierte Komponente am besten funktioniert. Browser sind flexibler, erreichen aber nicht die Genauigkeit von SMA-Pigtail-Anschlüssen.

Damit eingekoppelte Signale erfasst werden können, müssen die Power-Rail-Tastköpfe für eine ausreichend hohe Bandbreite ausgelegt sein. Für ein niedriges Rauschen können auch passive Tastköpfe mit einem Tastverhältnis von 1:1 verwendet werden. Jedoch ist die Bandbreite dieser Tastköpfe auf unter 40 MHz begrenzt. Dieser Ansatz ist einerseits vorteilhaft, da der höher­ohmige 1-MΩ-Pfad verwendet wird, andererseits sind durch die immanente Bandbreitenbegrenzung dieser Tastköpfe kritische Signalinhalte nicht mehr sichtbar – mit der Folge, dass zu niedrige Spitze-Spitze-Spannungswerte gemessen werden.

Bei der Auswahl des Power-Rail-Tastkopfs sollte der Anwender darauf achten, dass die Bandbreite zur jeweiligen Messaufgabe passt. Der R&S RT-ZRP40 von Rohde & Schwarz beispielsweise ist bis 4 GHz Bandbreite verfügbar und kann somit auch Einkopplungen von WLAN-Signalen auf die Spannungsversorgung sichtbar machen.

6. Hohe Eingangsimpedanz

Um genaue Gleichspannungswerte zu erhalten, darf die Messlast nur gering sein. Schließt man den 50-Ω-Pfad des Oszilloskops direkt an eine Spannungsversorgung an, so verändert die 50-Ω-Last den Gleichspannungspegel der Spannungsversorgung. Um diesen Effekt abzumildern, ist eine höhere Eingangsimpedanz erforderlich. Der 1-MΩ-Pfad des Oszilloskops hat eine ausreichend hohe Eingangsimpedanz, allerdings auch ein höheres Rauschen und wird von Power-Rail-Tastköpfen nicht unterstützt. Power-Rail-Tastköpfe haben typischerweise eine Eingangsimpedanz von 50 kΩ – also deutlich höher als die der Spannungsversorgung. Dies bedeutet, dass ihr Gleichspannungspegel bei der Messung nur minimal abfällt.

7. Oszilloskop mit hoher Aktualisierungsrate

Selbst die schnellsten digitalen Oszilloskope sind mehr als 90 % der Zeit blind. Nach jeder Erfassung einer Messkurve muss das Oszilloskop diese erst verarbeiten, bevor die nächste erfasst wird. Seltene Ereignisse – im Fall von Spannungsversorgungen also potenzielle Ausreißer der Spitze-Spitze-Spannung – können vom Oszilloskop »übersehen« werden.

Zum Ausgleich kann der Anwender automatische Messungen mit unendlicher Nachleuchtdauer einschalten und so lange warten, bis die höchsten Amplitudenspitzen gefunden werden. Aber wie lange sollte man nun warten? Das hängt vom Messsystem ab. Oszilloskope mit einer hohen Aktualisierungsrate zeigen die resultierende Rausch-Hüllkurve schneller an, und Anwender erhalten eine bessere grafische Darstellung des Geschehens auf der Versorgungsspannung.

Oszilloskope mit einer Aktualisierungsrate von 1000 Messkurven pro Sekunde liefern bei automa­tischer Messung Messergebnisse 20 Mal schneller als Oszilloskope mit einer Aktualisierungsrate von nur 50 Messkurven pro Sekunde. Der Benutzer des langsameren Oszilloskops muss beispielsweise 20 Minuten auf ein konsolidiertes Ergebnis warten, das ihm die schnelleren Variante nach nur einer Minute ausgeben würde. Da elektronische Systeme mehrere Spannungsversorgungen enthalten, die alle getestet und verifiziert werden müssen, fällt die Aktualisierungsrate eines Oszilloskops umso stärker ins Gewicht.

Mit fortschreitender Miniaturisierung von Spannungsversorgungen für FPGAs, ASICs und kommerzielle Geräte und Komponenten und den damit einhergehenden immer engeren Toleranzen gewinnt die Messung der Qualität von Spannungsversorgungen an Bedeutung. Die Wahl der passenden Messtechnik ermöglicht eine schnelle und genaue Charakterisierung jeder Versorgungsspannung.

Der Autor