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MODELL ODER SCHLÜSSELWORT

Stromverteilernetze (PDNs) müssen für Instrumente mit empfindlicher Last, wie Mikroprozessoren, DSPs, FPGAs und ASICs, zahlreiche DC-Stromschienen mit geringem Rauschen bereitstellen. Das Streben nach höherer Geschwindigkeit und höherer Dichte bedeutet schnellere Flankenraten, höhere Frequenzen und mehr Schienen bei niedrigeren Spannungen und höheren Stromstärken. Dadurch wird Druck auf das Design von Signalintegrität und Leistungsintegrität ausgeübt.

Zweck der Messungen von Leistungsintegrität ist es, zu bestätigen, dass die Spannung und Stromstärke, die den Kraftangriffspunkt (Point of Load, POL) erreichen, unter sämtlichen zu erwartenden Bedingungen die Spezifikationen der Stromschiene für diese Last erfüllen. Besonders hoher Wert muss auf die akkurate Messung des Rauschens der Stromschiene in Millivolt bei GHz-Frequenzen gelegt werden.

Messen der Hochfrequenzwelligkeit, ohne DC zu sperren oder Ihre Stromschienen zu belasten

Die Rauschspezifikationen für Stromschienen können bis zu MHz- oder GHz-Frequenzbereichen mit Amplituden in Millivolt reichen.

Ein Oszilloskop mit geringem Rauschanteil und hoher Bandbreite kann für diese Messungen verwendet werden, wobei es allerdings schwierig ist, das Signal in das Instrument einzubringen.

Die passiven Tastköpfe (10-fach) mit hoher Impedanz, die im Oszilloskop zur Verfügung stehen, haben möglicherweise eine ausreichende Bandbreite, aber schwächen das Rauschsignal, das Sie messen möchten, leider ab. Das Oszilloskop verstärkt dann sowohl das Signal als auch das Rauschen des Messsystems, woraufhin diese nicht mehr auseinanderzuhalten sind.

1-fach–Tastköpfe leiten das Rauschen ungedämpft weiter, sind aber auf mehrere MHz-Bandbreiten beschränkt.

Übertragungsleitung-Tastköpfe oder Kabel mit 50 Ω Oszilloskopeingang bieten eine großartige Hochfrequenzleistung, verursachen jedoch immense Lasteinwirkung bei DC.

Der ideale Tastkopf für Stromschienenmessungen bietet hohe Impedanz bei DC und fungiert als 50-Ω-Übertragungsleitung für Hochfrequenz-AC. Stromschienen-Tastköpfe, wie TPR1000 und TPR4000, sind darauf ausgelegt, diese Herausforderungen bei hoher Bandbreite, ohne Dämpfung und mit minimaler Lasteinwirkung zu bewältigen.

Bewerkstelligung von Versorgungen von 1 V bis 48 V und höher

Obwohl die Hauptversorgungsspannungen für viele FPGAs und SoCs immens gesunken sind, sind dies nicht die einzigen zu berücksichtigenden Versorgungen. On-Chip-E/A-Versorgungen können einen viel größeren Bereich abdecken als die Hauptlogikversorgungen. Massenversorgungen, die POL-Regler oder Spannungsreglermodule (VRMs) speisen, haben häufig eine viel höhere Spannung.

Obwohl viele Oszilloskope und Tastköpfe einen gewissen DC-Offset liefern können, reicht es möglicherweise nicht aus, sich mit allen Stromschienen in Ihrem System zu befassen. Und bei niedrigerer Spannung pro Skalenteil (höhere Empfindlichkeit) bieten Instrumentensysteme tendenziell weniger Offset. Das Blockieren von DC ist zwar eine Option, jedoch häufig unerwünscht (siehe oben).

Stromschienen-Tastköpfe wie TPR1000 und TPR4000 erfüllen nicht nur die oben beschriebenen Hochfrequenzanforderungen, sondern bieten auch einen hohen Offset-Bereich für ein breites Spektrum von Spannungspegeln.

Minimieren des vom Messsystem verursachten Rauschens

Beim Messen von Rauschen in der Größenordnung von 10 mV muss sorgfältig auf das Rauschen des Messsystems geachtet werden. Wie oben erwähnt, reduziert die Verwendung nicht dämpfender Tastköpfe (1-fach) die Belastung der Verstärker Ihres Oszilloskops. Das interne Rauschen und die Messauflösung des Oszilloskop spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle.

Das MSO der Serie 6 verfügt über ein neues Frontend mit branchenführender Rauschleistung. Das Oszilloskop bietet offenes Kanalrauschen von nur 50 μV RMS und 466 μV Peak. In Verbindung mit den Stromschienen-Tastköpfen TPR1000/4000 kann das Systemrauschen bis zu nur 70 μV RMS betragen.

Die 6er-Serie bietet eine 12-Bit-Auflösung von 12,5 GS/s. Eine Funktion für hohe Auflösung erhöht die Auflösung auf 16 Bit bei 625 MS/s und darunter. MSOs der Serien 4 und 5 bieten im hochauflösenden Modus auch eine 12-Bit-Auflösung mit bis zu 16 Bit.

Messen der Stromverteilernetz-Impedanz

Bei der Versorgung von FPGAs, Prozessoren und anderen komplexe ICs mit PDNs müssen Stromschienenimpedanzen niedrig sein, um als Antwort auf sich rasch ändernden Bedarf hohe Stromstärken zu liefern. Das Netzwerk besteht jedoch aus vielen Impedanzen, einschließlich des Spannungsreglers, der Entkopplungskondensatoren und der PCB-Traces. Das Hochgeschwindigkeitsschalten beinhaltet Breitbandfrequenzen und unerwartete Impedanzschwankungen können zu übermäßigen Transienten oder Rauschen führen. Das Messen der Impedanz eines Netzwerkdesign über einen weiten Frequenzbereich hinweg schafft Vertrauen, dass das Netzwerk keine unerwünschten Überraschungen erzeugt.

Netzwerkimpedanzmessungen werden traditionell mit VNAs durchgeführt, beispielsweise mit dem Zwei-Port-TTR500, der von 100 kHz bis 6 GHz messen kann.

MSO-Oszilloskope der Reihen 5/6 können mithilfe einer Analysesoftware, eines Signalgenerators (integriert oder AFG31000-Serie) und eines Trenntransformators eine Stromschienenimpedanz von bis zu 10 Hz messen.

Charakterisierung des Rauschens durch gleichzeitige Spektrum- und Wellenformanalyse

Nehmen wir an, Sie haben das Stromschienengeräusch gemessen und es liegt außerhalb der Spezifikation. Stammt es von einem DC-DC-Wandler? Von der Massenversorgung? Von einem PLL? Einem Taktgeber? Von Übersprechen? Die Spektrumanalyse kann Hinweise auf Rauschquellen liefern und dabei helfen, Rauschfrequenzen mit Schaltfrequenzen und Oberwellen zu korrelieren.

Wenn ein Spektrumanalysator, wie der RSA306, mit einer DC-Sperre an die Stromschiene angeschlossen wird, kann dies Einblicke in das Rauschen geben.
Die FFT-Funktion Ihres Oszillokskops ist ebenfalls nützlich, aber diese Funktionen verwenden den Abtasttaktgeber Ihres Oszilloskop, was es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich macht, sich das Spektrum und die Spannungsformen gleichzeitig anzusehen. Die einzigartige Spektrumansicht für MSOs der Serien 4, 5 und 6 bietet unabhängige Steuerelemente für Spektrumanalysatoren, sodass Sie gleichzeitig synchronisierte Spektren des Zeitbereichs und Wellenformen des Frequenzbereichs sehen können.

Schnellere Stromschienenmessungen mit automatisierter Analysesoftware

Selbst einfache Messungen wie Welligkeit, Überschwingen und Unterschwingen auf Dutzenden von Stromschienen erfordern erhebliche Zeit und Detailtreue.

Die MSOs der Serien 5 und 6 sind mit der Software für digitales Leistungsmanagement erhältlich, sodass sie diese sich wiederholenden Messungen zu automatisieren und detaillierte Berichte erstellen können. Die Software enthält auch eine Jitter-Analyse (TIE-, RJ-, DJ- und Augendiagramm-Messungen) zur Prüfung, ob Taktgeber und Kommunikationssignale, die von Ihrem PDN gespeist werden, übermäßig Jitter aufweisen.