Was ist eine aktive Schienensonde und wie verwende ich sie?

Die Spannungen der Stromversorgungsbusse für Hochgeschwindigkeitsrechner und tragbare Handgeräte sinken. In der Vergangenheit wurden 5-Volt-Versorgungsschienen mit einer Toleranz von ±5 % betrieben, während die heutigen Niederspannungsprozessoren viel engere Toleranzen in der Größenordnung von ±1 % erfordern. Daher hat ein 1,1-Volt-Bus eine Toleranz von ±11 Millivolt (mV). Um die Integrität dieser Stromverteilungsnetze (PDN) zu gewährleisten, sind neue Messinstrumente erforderlich.

PDNs sind in allen Geräten vertreten, die mit Strom versorgt werden müssen, da sich Rauschen, Übersprechen oder Lastwechsel-Transienten auf Stromschienen im gesamten System ausbreiten. Diese Störsignale können eine Reihe anderer Probleme verursachen, z. B. Timing-Jitter. Daher ist es wichtig, nicht nur die Gleichspannung, sondern auch das Rauschen, die Restwelligkeit und das Übersprechen auf einer Stromschiene zu messen und zu bewerten.

Dies erfordert die Betrachtung von Signalen mit einem Bereich von Millivolt auf Stromschienen mit Gleichstrompegeln von 1 Volt oder mehr. Genau hier liegt das Problem. Ein typisches Oszilloskop, das auf seinen 5mV-Bereich eingestellt ist, kann nur einen Offset von ±300 mV kompensieren. Das bedeutet, dass selbst ein 1-Volt-Strombus nicht auf dem Bildschirm erscheint. Natürlich erhöht sich bei Verwendung einer höheren vertikalen Empfindlichkeit, z. B. 200 mV, der Offset-Bereich auf ±3 Volt, aber das Rauschen und die Restwelligkeit - vorausgesetzt, sie ist geringer als die Spannungstoleranz von 11 mV - sind fast unsichtbar. Hier können Sie eine aktive Stromschienensonde einsetzen.

Stromschienensonden wie die RP4030 von Teledyne LeCroy lösen dieses Problem auf verschiedene Weise. Erstens bieten sie Dämpfungsbereiche, die nahe bei 1:1 liegen, um die ohnehin schon kleinen Zielsignale nicht noch weiter abzuschwächen. Als Nächstes verhindern sie die Leistungsbelastung, indem sie den Signalpfad in einen Gleich- und einen Wechselstrompfad aufteilen, die jeweils ihre eigene Eingangsimpedanz haben (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein vereinfachtes Funktionsdiagramm einer typischen Stromschienensonde, das die parallelen AC- und DC-Pfade zusammen mit ihren Frequenzgangdiagrammen zeigt. (Bildquelle: DigiKey)

Der Gleichstrompfad bietet einen Gleichstromwiderstand von 50 Kiloohm (kΩ). Der AC-Pfad koppelt das Signal kapazitiv ein. Der Gleichstrompfad hat einen Tiefpass-Frequenzgang, während der Wechselstrompfad einen Hochpass-Frequenzgang hat. Die Pfade werden am Tastkopfausgang summiert und in den 50Ω-Eingangsabschluss des Oszilloskops eingespeist, wodurch ein flacher Frequenzgang erzielt wird. Der Betrieb am 50Ω-Eingang des Oszilloskops bietet den geringsten Rauschanteil und die höchste Bandbreite des Oszilloskops. Die Bandbreite der Sonden beträgt 4 Gigahertz (GHz), was die Messung eines breiten Spektrums von Störsignalen ermöglicht. Schließlich bieten die Schienensonden eine sehr breite, hochpräzise Offset-Spannung, typischerweise im Bereich von ±30 Volt.

Beispiel für die Verwendung einer aktiven Sonde

Schauen wir uns eine typische Messung an, wie in Abbildung 2 dargestellt Dies ist eine Messung der periodischen und zufälligen Abweichung (PARD) auf einem 1,1-Volt-Bus. PARD ist ein branchenweit gebräuchlicher Begriff, der ein Maß für die Abweichung der momentanen Busspannung von ihren Durchschnitts- oder Mittelwerten ist. Zu den Abweichungen können periodische Signale, zufälliges Rauschen und Übersprechen gehören. PARD wird normalerweise als Spitze-Spitze-Wert gemessen.

In Abbildung 2 zeigt der Spitze-Spitze-Messparameter die PARD-Werte als 7,5 mV an. Dazu gehören periodische, zufällige und einige schmale Spike-Komponenten. PARD berücksichtigt nicht die langsamen Schwankungen der Busspannung unter 20 Hz, die als Drift bezeichnet werden. Die Schienensonde liefert den Offset, der in der Abbildung als -1,1 Volt im Anmerkungsfeld C1 (linke untere Ecke, gelbes Feld) dargestellt ist. Die in diesem Beispiel verwendete Schienensonde hat einen Offset-Bereich von ±30 Volt. Dadurch kann das Signal mit der vertikalen Skala von 2 mV pro Teilung (mv/div) gemessen werden, die ohne Sonde nur einen Bereich von ±300 mV hat.

Abbildung 2: PARD-Messungen bei einer vertikalen Empfindlichkeit von 2 mV pro Teilung. Es zeigt zufällige, periodische und Übersprechkomponenten mit einem Spitze-Spitze-Wert von 7,5 mV auf einer 1,1-Volt-Schiene. (Bildquelle: DigiKey)

Zu den Stromschienensonden gehört auch diverses Verbindungszubehör, um diese Messungen zu vereinfachen, z. B. ein Browser für die manuelle Abtastung von Leiterplatten und ein Einlötkabel. Das Einlötkabel bietet die höchste Bandbreite, während der Browser eine geringere Bandbreite bietet.

Fazit

Messungen der Stromversorgungsintegrität werden mit sinkenden Versorgungsspannungen immer schwieriger, aber wie gezeigt, können aktive Stromschienentaster helfen. Diese Sonden eliminieren den Verlust des Dynamikbereichs, der normalerweise auftritt, wenn eine kleine Spannung an einer viel höheren Gleichspannung gemessen werden muss.