So wird die Stromversorgung mit dem Oszilloskop genau verifiziert

| Autor / Redakteur: Dr. Markus Herdin * / Hendrik Härter

Stromversorgungen messen: Zwei Power-Rail-Tastköpfe des Typs R&S RT-ZPR20 am Oszilloskop R&S RTO. Einer ist an ein Koaxialkabel angeschlossen, das mit der Schaltung verlötet ist, am zweiten ist eine Tastspitze für schnelle Übersichtsmessungen angebracht.
Stromversorgungen messen: Zwei Power-Rail-Tastköpfe des Typs R&S RT-ZPR20 am Oszilloskop R&S RTO. Einer ist an ein Koaxialkabel angeschlossen, das mit der Schaltung verlötet ist, am zweiten ist eine Tastspitze für schnelle Übersichtsmessungen angebracht. (Bild: Rohde & Schwarz)

Enge Toleranzen für die Stromversorgung bei CPU-, DDR- und FPGA-Komponenten überfordern viele Oszilloskope und Tastköpfe. Abhilfe versprechen die Power-Rail-Tastköpfe von Rohde & Schwarz.

Moderne elektronische Designs können im Extremfall bis zu hundert Stromversorgungsnetze mit unterschiedlichen DC-Spannungen enthalten. Jedes Stromversorgungsnetz hat eigene Anforderungen an die Genauigkeit der DC-Spannung und die maximal erlaubten Störsignale. Unerwünschte Störsignale auf dem DC-Stromversorgungsnetz können zu EMV-Problemen führen oder die Funktion einer Schaltung beeinträchtigen.

Besonders kritisch sind Stromversorgungsnetze für CPUs, Speicherbausteine oder FPGAs. Während die erforderlichen DC-Versorgungsspannungen stetig weiter sinken, werden die erlaubten Toleranzen für die DC-Spannung immer enger. Diese müssen in allen Lastzuständen erfüllt werden, um die Funktion der Schaltung nicht zu gefährden. Ein typisches Beispiel sind DDR4-Speicher. Im Vergleich zu Speicherbausteinen des Typs DDR3 steigt die maximale Datenübertragungsrate von 2133 auf 3200 MBit/s.

Ein Taktintervall beträgt bei DDR4-Speichern mehr 313 ps, davon wird häufig die Hälfte für Takt- und Daten-Jitter benötigt. Unerwünschte Störsignale auf der Versorgungsspannung erhöhen den Takt- und Daten-Jitter und führen zu Fehlern bei der Datenübertragung. Gleichzeitig reduziert sich die maximal tolerierte Welligkeit der DC-Versorgungsspannung bei DDR4-Speichern auf 60 mV (USS) bei 1,2 VDC- Versorgungsspannung.

Das Oszilloskop ist das Messgerät der Wahl

Mit einem Oszilloskope lässt sich die Power Integrity messen und zudem Pegel und Qualität von Versorgungsspannungen prüfen. Gleichzeitig ist es möglich, Störsignale auf der Stromversorgung im Zeit- und Frequenzbereich zu analysieren und mögliche Ursachen zu identifizieren. Bisher wurden dazu passive Tastköpfe verwendet, die bei der Verifikation von Stromversorgungsnetzen allerdings einige Nachteile haben:

  • Eine hohe Empfindlichkeit lässt sich nur mit 1:1-Tastköpfen erreichen. Die Bandbreite ist jedoch auf <40 MHz beschränkt. Kurzzeitige Spannungseinbrüche durch schnelle Lastwechsel oder hochfrequente Störsignale werden nicht sichtbar.
  • Eine höhere Bandbreite ist mit passiven 10:1-Standardtastköpfen möglich, jedoch bei deutlich reduzierter Empfindlichkeit. Enge Toleranzlimits bei elektronischen Komponenten lassen sich nicht verifizieren.
  • Offset bei passiven Tastköpfen ist durch das Oszilloskop vorgegeben und beträgt in der empfindlichsten Einstellung max. 1 V. Damit lässt sich nicht der DC-Anteil von Versorgungsspannungsnetzen kompensieren. Der DC-Anteil ist mit AC-Kopplung oder Blockkondensatoren zu eliminieren. Dann lässt sich aber nicht sagen, ob die gemessene Ripple-Spannung innerhalb des Toleranzfensters liegt oder ob die Drift der Versorgungsspannung einseitig die geforderten Toleranzen verletzt.
  • Die DC-Genauigkeit von Messungen mit Standardtastköpfen ist durch das Oszilloskop mit zwei Prozent beschränkt und damit in der maximal erlaubten Toleranz der Versorgungsspannung moderner FPGAs.

Eine Kombination aus hoher Empfindlichkeit, hoher Messbandbreite, hohem Offset und hoher DC-Genauigkeit lässt sich nur mit speziell entwickelten Tastköpfen erreichen. Hierzu bieten sich die Power-Rail-Tastköpfe R&S RT-ZPR20/40 von Rohde & Schwarz an. Sie kombinieren einen für niedrige Frequenzen aktiven Schaltungsteil mit einem für hohe Frequenzen passiven Schaltungsteil:

Entscheidende Parameter des Tastkopfs

Empfindlichkeit und Rauschen: Das Messsignal wird 1:1 übertragen. Deshalb beträgt die Auflösung 1 mV/Div am Oszilloskop. Am R&S RTE1000 wird ein Wert von 500 µV/Div erreicht. Der Tastkopf erhöht das Eigenrauschen des Oszilloskops um zehn Prozent.

Messbandbreite bis 4 GHz: Designs speziell für IoT-Anwendungen kombinieren häufig HF-Sende- und -Empfangspfade auf engstem Raum mit CPU und Speicherkomponenten. Ein ungünstiges Layout oder unzureichende Entkopplung des Stromversorgungsnetzes kann zur Einkopplung breitbandiger Störsignale auf das Stromversorgungsnetz führen. Das kann zu sporadischen oder regelmäßigen Funktionsstörungen führen. Mit Bandbreiten von 2 GHz lassen sich bereits die meisten hochfrequenten Störsignale sicher detektieren. Für Embedded-Komponenten für Mobil- und IoT-Anwendungen hat Rohde & Schwarz den Tastkopf R&S RT-ZPR40 entwickelt. Seine Bandbreite beträgt 4 GHz, und er kann eingekoppelte Signale im ISM-Band bei 2,4 GHz und LTE-Band bei 3 GHz sowie in höheren HF-Bändern bis 4 GHz aufspüren.

DC-Offset von ±60 V: Die meisten digitalen Stromversorgungsnetze arbeiten mit Spannungen <5 V. Bei analogen Stromversorgungsnetze sind deutlich höhere Offsetspannungen nötig. Hier werden hohe Spannungen benötigt, gleichzeitig spielen Störsignale auf dem Stromversorgungsnetz von Analogkomponenten eine große Rolle.

DC-Genauigkeit von 0,1 Prozent mit integriertem 16-Bit-Voltmeter: Zusätzlich zum Gesamtsignal messen die Power-Rail-Tastköpfe mit dem integrierten 16-Bit-Voltmeter den DC-Anteil der Versorgungsspannung mit typ. ±0,1 Prozent genau. Der Messwert wird über die Tastkopfschnittstelle zum Oszilloskop übertragen. Interessant ist die Lösung für automatisierte Tests, da kein zusätzliches DC-Voltmeter nötig ist.

Zahlreiche Anschlussvarianten: Ein Power-Rail-Tastkopf lässt sich unterschiedlich an eine Spannungsversorgung anschließen. Sollen mehrere Stromversorgungen schnell überprüft werden, eignet sich der im Lieferumfang enthaltene 350-MHz-Browser, eine Tastspitze mit SMA-Anschluss für den Tastkopfadapter. Mit den ebenfalls enthaltenen Massefedern lassen sich Erdschleifen minimieren. Für breitbandige und rauscharme Messungen empfiehlt sich das mitgelieferte 50-Ohm-SMA-Koaxialkabel.

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