Praxistipps von Texas Instruments
Signale mit hohen Frequenzen und Spannungen messen
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Belastung der Schaltung
Ohne die verlustbehaftete Übertragungsleitung beträgt die Eingangsimpedanz am Ausgang des Tastkopfs lediglich etwa 5 Ω. In der Patentschrift heißt es, dass der künstlich hinzugefügte Verlust die Eingangsimpedanz des Kabels anhebt und so dafür sorgt, dass in der Tastkopfspitze eine geringere Kapazität zur Kompensation ausreicht. Stellt man den Kompensations-Kondensator auf etwa 7 pF ein, ergibt sich eine Impedanz von etwa 45 Ω an der Tastkopfspitze, mit der die zu vermessende Schaltung berührt wird. Ein so niedriger Impedanzwert könnte die Spannungsmessung an einem Signal mit mehr als wenigen Ohm Serienimpedanz infolge der zusätzlichen Belastung beeinträchtigen.
Der COSS-Wert von GaN-FETs ist ebenso wie bei Si-FETs eine Funktion der Drainspannung, jedoch ist er typisch um den Faktor 2 bis 4 kleiner als bei Si-FETs. Ein kommerziell angebotener 600 V/150 mW GaN-FET besitzt einen COSS-Wert von ungefähr 40 pF bei 400 V, während der COSS eines ebenfalls kommerziell erhältlichen 600 V/190 mW Silizium-Superjunction-FET mit 100 pF bei 100 V angegeben ist und damit auf dem Niveau liegt, das ein 1200 V SiC-FET bei 100 V erreicht.
Die 7 pF betragende Kapazität der Tastkopfspitze ohne verlustbehaftete Leitung (Bild 1) sollte auf 1 pF oder weniger reduziert werden, um beim Testen von GaN- und SiC-FETs für eine minimale Signalbelastung zu sorgen.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Kapazität zu verringern. Ein Trick besteht darin, Twinax-Kabel zu verwenden und die Abschirmung bei Signalen mit geringerer Frequenz aktiv anzusteuern. Eine weitere Option ist es, das Kabel so kurz wie möglich zu machen und einen aktiven, breitbandigen Verstärker mit geringer Kapazität und hoher Eingangsimpedanz hinzuzufügen. Damit trotz der Verwendung eines aktiven Verstärkers hohe Spannungen gemessen werden können, ist zusätzlich ein breitbandiger Spannungsteiler geringer Kapazität erforderlich. Der VCA824 von Texas Instruments ist ein Beispiel für einen breitbandigen, vollständig differenziellen Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz, der 50-Ω-Leitungen ansteuern kann. Der Baustein besitzt einen Eingangs-Gleichtaktbereich von ±1,5 % und eine Kleinsignal-Bandbreite von >700 MHz sowie eine Eingangsimpedanz von 1 pF parallel zu 1 MΩ. Damit dieser Verstärker für Drainspannungen bis 600 V verwendet werden kann, ist ein 1.000:1-Spannungsteiler erforderlich, der bis >500 MHz einen flachen Frequenzgang aufweist und dessen Eingangskapazität kleiner als 2 pF ist.
Impedanz und Verlustleistung des Spannungsteilers müssen berücksichtigt werden. Es gibt jedoch konträre Anforderungen. Im Idealfall ist die Impedanz so hoch, dass eine Überlastung der Schaltung vermieden wird und sich die Verlustleistung reduziert. Implementiert man den Spannungsteiler mit einer ohmschen Impedanz von 1 MΩ, so bleibt die Verlustleistung beim Abtasten von Spannungen bis zu 600 V unter 400 mW. Eine niedrigere Impedanz ergibt eine größere Bandbreite beim Ansteuern der parasitären Kapazität der Leiterplatte und der Eingangskapazität des Verstärkers.
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