Messung differenzieller Signale Gleichtaktstörungen bewältigen

Optisch-elektrische Wandler können helfen Gleichtaktstörungen zu unterdrücken.
Optisch-elektrische Wandler können helfen Gleichtaktstörungen zu unterdrücken.

Ingenieure, die mit Leistungsbauteilen auf der Basis von GaN- und SiC-Technologien und anderen High-Speed-Anwendungen arbeiten, haben keine Möglichkeiten, differenzielle Signale genau zu messen, wenn Gleichtaktstörungen vorliegen. Tektronix will mit optisch-elektrischen Wandlern Abhilfe schaffen.

Durch die Fortschritte bei Komponenten zur Energieumwandlung werden genaue Messungen und die Charakterisierung dieser Designs immer schwieriger. Durch Gleichtaktstörungen sind viele Signale quasi verborgen, sodass die Ingenieure nur schwierig untersuchen können, was wirklich innerhalb von Schaltungen abläuft. Dies erschwert damit auch das Debugging und die Charakterisierung.

In vielen Fällen erhalten die Entwickler sogar irreführende Informationen über ihr Oszilloskop. Da sie damit die Messungen nicht durchführen können, versuchen sie mit Hilfe alternativer Methoden zu verstehen, was wirklich in der Schaltung abläuft. Zu diesen Alternativen gehören eine umfassende Simulation sowie die Messung benachbarter Punkte und die Extrapolation der Ergebnisse. Oftmals zeigt dies aber nicht, was wirklich passiert. Die Folgen können schwerwiegend sein, sodass die Schaltung entweder nicht oder nur suboptimal funktioniert.

Besonders die Untersuchung der Leistung der Gate-Treiber bei Halb- und Vollbrücken-Designs ist schwierig, da hier kleine differenzielle Signale von einer hohen Gleichtaktspannung (zum Beispiel 40 V oder mehr) überlagert werden. Speziell wenn die Schaltspannung zwischen Masse und der Eingangsspannung umschaltet, lässt sich die Gate-Source-Spannung nicht ohne geeignete Gleichtaktunterdrückung messen.

Für diese Messungen ist der entscheidende Leistungsparameter des Messsystems die Gleichtaktunterdrückung (Common Mode Rejection Ratio, CMRR). Diese bestimmt die Fähigkeit eines Messsystems, differenzielle Signale präzise zu messen, indem es die Signalanteile, die für beide Testpunkte identisch sind (Gleichtaktsignal), unterdrückt. CMRR wird definiert durch

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wobei ADiff die Spannungsverstärkung für das differenzielle Signal und ACM die Spannungsverstärkung für das Gleichtaktsignal ist.

Ideal wäre ein sehr großes ADiff und ACM gleich Null, was einen unendlich großen CMRR-Wert ergäbe. In der Praxis wird ein CMRR-Wert von mindestens 80 dB (10.000:1) als relativ gut betrachtet. Ein Verstärker, der lange als Bester seiner Klasse angesehen wurde, ist der LeCroy DA1855A. Im Bild 1 erreicht der CMRR-Wert des DA1855A mehr als 80 dB bei Frequenzen bis zu einigen MHz. Jedoch fällt die CMRR-Fähigkeit des Verstärkers dann relativ schnell auf nur noch 20 dB oder 10:1 bei 100 MHz ab. Dies bedeutet, dass ein Gleichtakt-Eingangssignal von 10 V bei 100 MHz bei einer differenziellen Messung zu einem Fehlersignal von 1 V führt. Es ist zudem zu berücksichtigen, dass das Diagramm nur für den separaten Verstärker gilt und die Leistung beim Einsatz von Tastköpfen weiter abfällt.