Versorgungsspannungsdurchgriff messen Das geht auch mit dem Oszilloskop

Die Güte von Linearreglern, Operationsverstärkern oder dem gesamten Schaltungsentwurf eines Netzgerätes zeigt sich durch eine PSRR-Messung. Statt mit dedizierter Messtechnik kann sie auch mit einem Oszilloskop durchgeführt und als Bode-Diagramm ausgegeben werden.

Der Versorgungsspannungsdurchgriff oder die Power Supply Rejection Ratio (PSRR) kennzeichnet die Stabilität des Netzgeräteausgangs in Bezug auf Strom- bzw. Spannungsversorgungsschwankungen am Eingang des Netzgerätes. Für die Messung können zwar Frequenz- und Netzwerkanalysatoren genutzt werden, sie sind aber auch mit dem universeller nutzbaren Oszilloskop möglich. Für PSRR-Messungen ist die Beschaffung von spezialisierter Messtechnik, die ihre Stärken eher im hochfrequenten Bereich ausspielt, nicht notwendig.

Frequenzganganalyse mit Oszilloskop

Für Entwicklungsingenieure ist der Versorgungsspannungsdurchgriff ein entscheidender Parameter bei der Messung einer entworfenen Schaltung. Die Durchführung der eigentlichen Messung des PSRR erfolgt über die Variation der Frequenz des zusätzlich eingespeisten Störsignals, welches die Welligkeit und Variation der Versorgungsspannung simuliert. Gemessen wird der Frequenzgang der Ausgangsspannung in einem Bode-Diagramm und er wird dargestellt in zwei Kurven, der Amplitude und der Phase des Ausgangssignals. Diese Messung kann mit einem Oszilloskop, das über die entsprechende Funktion verfügt, durchgeführt werden (Bild 1).

Beispielhaft wird hier ein R&S RTM3000 Oszilloskop mit einer Bode-Diagramm-Funktionalität (Option RTM-K36) eingesetzt. Als Störsignalquelle wird in dieser Konstellation der integrierte Waveform-Generator des R&S RTM3000 verwendet. Er erzeugt Stör­signale im Frequenzbereich von 10 Hz bis 25 MHz. Die Bode-Diagramm-Messung wird auch zur Charakterisierung von verschiedenen Elektronikkomponenten genutzt, inklusive passiver Verstärkerschaltungen und Linearregler. So kann neben dem Versorgungsspannungsdurchgriff auch das Regelkreisverhalten von Schaltnetzteilen gemessen werden. Das Verhältnis von Stör- und Ausgangssignal des Messobjekts wird bei jeder Testfrequenz erfasst und die Amplitude logarithmisch und die Phase linear im Bode-Diagramm dargestellt.

Messaufbau mit Einspeisetrafo

Zum Messen der PSRR wird der Versorgungsspannung eine sinusförmige Welligkeit zugeführt und die Verstärkung zwischen Ein- und Ausgang des Reglers gemessen. Zusätzlich sollte auch die Amplitude auf einen geeigneten Wert festgelegt werden, um ein optimales Messergebnis zu erreichen. Ist sie zu groß, kann sich der Arbeitspunkt des Reglers verschieben, ist sie zu klein, führt das zu einer Verschiebung des Signals in den Rauschbereich – ein Umstand, der die Qualität der Messung nachhaltig beeinträchtigen würde.

Notwendig ist außerdem ein Netzeinspeisetransformator wie der im Beispiel verwendete Picotest J2120A (Bild 2). Dieser stellt sicher, dass das eingespeiste Signal galvanisch getrennt ist und nicht durch Gleichspannungsanteile die Messung verfälscht. Er hat idealerweise in dem verwendeten Frequenzbereich einen flachen Frequenzgang. Sollten dennoch Abweichungen durch den Transformator eintreten, kann das Amplitudenprofil verwendet werden, die unerwünschten Transformatoreigenschaften zu kompensieren. Zudem ist beim Einstellen der Spannung des Störsignals zu berücksichtigen, dass der Transformator über einen eigenen Innenwiderstand verfügt, der die Versorgungsspannung am Eingang reduziert und in Verbindung mit dem Eingangskondensator der Prüfschaltung einen Tiefpass bildet, der einen nicht unerheblichen Einfluss auf die PSRR-Messung hat. Soll beispielsweise ein Low-Dropout-Regler (LDO) vermessen werden, lässt sich alternativ zum Netzeinspeisetransformator auch ein schneller Operationsverstärker am Eingang verwenden, der dann für die Versorgung der Testschaltung und die AC-Einprägung zuständig ist. Die Qualität der Messung steigt, wenn bei einem solchen Aufbau der Kondensator am Eingang des Linearreglers entfernt wird.

Einfluss von Tastkopf und Erdschleifen

Voraussetzung für eine gute Messqualität des Versorgungsspannungsdurchgriffs sind vor allem hochwertige Tastköpfe, die einen hohen Dynamikbereich abdecken. Sie können auch Peak-to-Peak-Amplituden des Ausgangsspannungssignals erfassen, die wegen des hohen Unterdrückungsverhältnisses des überprüften DC/DC-Wandlers extrem klein ausfallen. Die meisten Oszilloskope werden mit passiven 10:1-Tastköpfen ausgeliefert. Um die Messergebnisse zu verbessern, empfiehlt sich allerdings der Einsatz von passiven 1:1-Tastköpfen zur Erfassung des Ausgangssignals.

Für eine minimale Erdschleifeninduktivität muss die Länge des Erdungskabels begrenzt werden. Zeitweilig wirkt das Standard-Erdungskabel des Tastkopfs als Antenne, was das unerwünschte Schaltrauschen zusätzlich verstärkt. Dieses Problem lässt sich umgehen, wenn ein Erdungsbolzen in der Nähe der Vin- und Vout-Messpunkte zur Ver­fügung steht. Damit wird ein langes Erdungskabel überflüssig. Beim hier verwendeten R&S RT-ZP1X Tastkopf kann stattdessen auch die Massefeder genutzt werden (Bild 3), um die Masseverbindung so kurz und so rauscharm wie möglich zu halten.

Konfiguration des Oszilloskops

Wurde das Oszilloskop an dem zu untersuchenden Aufbau angeschlossen, ist die weitere Messkonfiguration einfach:

Die Start- und Stoppfrequenz des Störsignals wird zwischen 10 Hz und 25 MHz eingestellt und danach der Ausgangspegel des Generators festgelegt. Um das Rauschverhalten der überprüften Schaltung zu kompensieren, ist das Amplitudenprofil des Generatorausgangs mit bis zu 16 Stufen einstellbar. Nun kann die Anzahl der verwendeten Frequenzen je Dekade eingestellt werden. Je mehr Frequenzstützstellen verwendet werden, desto länger dauert ein kompletter Messablauf. Im Gegenzug ist dann das Messergebnis detailreich. Das verwendete Oszilloskop unterstützt dabei bis zu 500 Punkte pro Dekade. Nach der Messung gibt das Oszilloskop die Messergebnisse als Amplitude/Phase in Abhängigkeit der jeweiligen Frequenz aus.

Frequenzverlauf

Die Messkurven werden in einem Bode-Diagramm dargestellt und repräsentieren den Übergang des Reglersystems zum geregelten Ausgang. Dabei zeigt die Kurve die Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz (Bild 4). Ein Marker kann auf eine beliebig wählbare Position gezogen werden, die sich direkt auf der dargestellten Messkurve befindet. Über die genauen Koordinaten des Markers gibt eine Legende Auskunft. Hilfreich ist außerdem ein zusätzliches Fenster, das den Zeitbereich darstellt. Es zeigt einen Vergleich des aufgeprägten Signals mit dem am Ausgang gemessenen Signal zur jeweiligen Frequenz. So lässt sich einfach erkennen, ob das Signal in der Amplitude optimal gewählt wurde oder ob es nach oben oder unten angepasst werden muss.

Sämtliche Ergebnisse lassen sich in einer Tabelle abbilden. Sie enthält detaillierte Informationen wie Frequenz, Verstärkung und Phasenverschiebung zu jedem einzelnen Messpunkt. Werden Marker eingesetzt, sind die entsprechenden Zeilen innerhalb der Ereignistabelle gekennzeichnet. Zudem können Screenshots, Tabellenergebnisse oder beides zu Protokollierungszwecken auf einem USB-Stick gespeichert werden.

Alternative zu niederfrequenten Analysatoren

Für die PSRR-Messung sind Oszilloskope immer häufiger die Messwerkzeuge der Wahl. Erweiterungen für Frequenzganganalysen mit Bode-Diagramm sind mittlerweile für mehrere Oszilloskop-Modelle verfügbar. Beim Messaufbau ist es wichtig, einige Aspekte zu beachten, um ein optimales Messergebnis zu erhalten. Neben der Einstellung der Amplitude des zugeführten Störsignals auf einen idealen Wert, betrifft das in erster Linie auch die Komponenten, die zusammen mit dem Oszilloskop zum Einsatz kommen.

Die Verwendung eines Netzeinspeisetransformators mit flachem Frequenzgang liefert gute Ergebnisse, alternativ lässt sich bei der Vermessung eines LDO auch ein schneller Operationsverstärker vorschalten. Trägt man diesen Aspekten Rechnung, dann ist die PSRR-Messung mit einem Oszilloskop eine preisgünstige Alternative zu niederfrequenten Netzwerkanalysatoren oder dedizierten eigenständigen Frequenzanalysatoren.

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