Misure ad alta precisione d’integrità dell’alimentazione

I team di sviluppo devono affrontare le sfide sempre più complesse legate all’integrità dell’alimentazione di Fpga, Asic e semiconduttori che continuano a crescere in termini di gate. Ognuno dei milioni di gate di un circuito integrato effettua la commutazione di una corrente. Poiché i dispositivi possono richiedere decine di amplificatori e i consumi devono essere gestiti, le tensioni dei binari di alimentazione Dc tendono a diminuire. L’evoluzione verso velocità superiori comporta l’esigenza di tensioni più contenute. Le problematiche d’integrità dell’alimentazione possono portare a un aumento del jitter e a un funzionamento discontinuo. Se solo fino a un decennio fa i binari di alimentazione Dc erano a 12 e 5 V, nel tempo le tensioni sono proliferate raggiungendo livelli anche inferiori al Volt. Inoltre, le tolleranze sono diminuite passando dal dieci all’uno o due percento. La combinazione tra valori di tensione inferiori e tolleranze più strette comporta misure su livelli di ripple e rumore di pochi mV. I prodotti elettronici odierni possono includere un numero di binari di alimentazione che varia da poche a centinaia di unità. Ciascun binario deve essere verificato per garantire che ogni alimentazione in corrente continua arrivi ai pin del circuito integrato con livelli entro le tolleranze. Gli oscilloscopi rimangono uno strumento primario per misurare gli attributi Ac dei segnali Dc, in particolare rumore, ripple e disturbi periodici o casuali. L’oscilloscopio tradizionale non è in grado di effettuare misure di integrità di alimentazione con l’accuratezza necessaria. Tre fattori chiave inibiscono le soluzioni storiche: rumore di misura, larghezza di banda e caricamento. In quest’ottica, sono state lanciate diverse sonde per binari progettate per queste attività che affrontano i problemi che ostacolano gli oscilloscopi tradizionali, ma richiedono qualche considerazione aggiuntiva.

Il problema del rumore

Il rumore di misura negli oscilloscopi tradizionali e nel sistema di sonde rende impossibile eseguire con precisione il rilevamento delle ampiezze richieste. L’oscilloscopio presenta un rumore inerente. Inoltre, quando gli utenti collegano una sonda, essa contribuisce alla misura con un rumore aggiuntivo. Maggiore è l’attenuazione della sonda, maggiore è il rumore. Per minimizzare il rumore, le misure sui piccoli segnali richiedono sistemi di sonda con attenuazione 1:1. A titolo di semplice esperimento, scollegare tutti gli ingressi dalla parte frontale dell’oscilloscopio e impostare l’impedenza a 50 Ω. Effettuare una misurazione Vpp per riscontrare il rumore dell’oscilloscopio. Ora inserire una sonda, collegarla la massa al cavo e misurare il livello Vpprms. Sarà notevolmente superiore. Tutte le sonde contribuiscono a un aumento sostanziale del rumore complessivo di misura, ad eccezione delle sonde per binari di alimentazione. In tutti gli oscilloscopi, il rumore è direttamente proporzionale al fondo scala a schermo intero. Quindi, una scala verticale di 100 mV/div presenterà un rumore notevolmente superiore a una scala verticale di 5 mV/div. Quindi, per ridurre ulteriormente il rumore, le sonde di alimentazione elettrica consentono agli utenti di ridimensionare la sensibilità verticale desiderate fino a 1mV / div. Direttamente correlata alla scala verticale è la capacità del sistema di misura di disporre di un adeguato offset per scalare correttamente il segnale. Ad esempio, se un oscilloscopio presenta un offset massimo di 1 V e un utente deve misurare un binario a 2,5 V con una tolleranza del 2%, è possibile applicare solo 1 V di offset. Quindi, per riprodurre il segnale completo sul display, la scala verticale può arrivare solo a 500 mV/div posizionando il binario al vertice dell’oscilloscopio a 10 divisioni. Ciò non consente di effettuare una misurazione dell’ampiezza pertanto l’utente deve regolare la scala verticale a 1 V/div. A questa sensibilità, la soluzione non è in grado di effettuare misure accurate sul ripple per una tolleranza del 2%. C’è semplicemente troppo rumore. Le sonde per binari di alimentazione sono dotate di una maggiore capacità di offset. Ad esempio, la versione ZPR20 di Rhode & Schwarz presenta un offset di +/- 60 V. Per lo stesso circuito di alimentazione a 2,5 V, l’utente può concentrarsi sul display dell’oscilloscopio e utilizzare un’impostazione verticale di 5 mV/div al minimo rumore generale e aumentare la precisione della misurazione.

Il problema della banda

Disporre di una larghezza di banda adeguata per misurare i binari di alimentazione può non essere così intuitivo. Quanta larghezza di banda è necessaria per misurare un binario Dc? La risposta è che i binari di alimentazione tendono a condurre le sorgenti accoppiate. Ad esempio, in prossimità di clock veloci e di altre sorgenti, i binari di alimentazione spesso sono soggetti ad accoppiamento armonico. Anche i segnali wireless possono accoppiarsi al binario. Per questi motivi, le sonde per binari di alimentazione devono avere una larghezza di banda di vari GHz. Le sonde passive con rapporto 1:1 possono essere utili per le misurazioni a basso rumore, ma sono limitate in larghezza di banda alle decine di MHz e non riescono a rilevare i transitori di frequenza più elevati. Ad esempio, la sonda ZPR20 per binari di alimentazione supporta una larghezza di banda specificata fino a 2 GHz fornendo sulle sorgenti accoppiate con frequenza superiore. La sonda ha un punto a 3 dB in prossimità dei 2,4 GHz. Benché questi valori di frequenza più alti siano attenuati, gli utenti possono ancora avere visibilità sui segnali accoppiati quali Wi-Fi a 2,4 GHz.

Il problema del caricamento

Il caricamento è il terzo problema. L’impedenza dei binari Dc si misura nella gamma dei mΩ. Alcuni utenti possono essere tentati di collegare il binario di alimentazione al percorso dell’oscilloscopio a 50 Ω. Questo crea una rete di divisione resistiva che finisce per caricare il binario e modificare il suo valore Dc. Ciò comporta non solo errori di misura ma anche leggere modifiche che potrebbero influenzare il comportamento del circuito. Per affrontare il carico, un utente può essere tentato di utilizzare una sonda passiva da 1 MΩ. Benché la sonda passiva risolva il problema del caricamento, essa sarà rumorosa e non disporrà di una larghezza di banda adeguata per catturare i transitori. Per questo è richiesta una sonda attiva ad alta impedenza d’ingresso. Le sonde per binari di alimentazione offrono una soluzione. Ad esempio, la sonda ZPR20 presenta un’impedenza di ingresso Dc di 50 KΩ. Questo valore è 50.000 volte superiore rispetto all’impedenza del binario di alimentazione e avrà un impatto minimo sul caricamento. A frequenze più elevate, l’impedenza è di 50 Ω permettendo un perfetto adattamento ai 50 Ω del cavo Sma e ai 50 Ω del pigtail coassiale.

Sonde per binari di alimentazione

Il buon sistema di sonda contempla un’elevata impedenza d’ingresso, ma non solo. Le sonde per binari di alimentazione offrono una varietà di connessioni. Per le misurazioni più accurate, gli utenti dovrebbero considerare sul proprio dispositivo l’uso in un connettore Sma per instradare all’esterno i binari Dc da sottoporre al test. In alternativa, un pigtail coassiale da 50 Ω può essere saldato attraverso un condensatore di by-pass e collegato al binario di alimentazione. Questi due metodi permettono di conseguire la minore rumorosità e la massima fedeltà del segnale. Anche una sonda a mano dotata di collegamento a terra può essere adeguata, ma il risultato è influenzato dalla capacità dell’utente di toccare e trattenere la sonda stessa durante la misurazione. I collegamenti di terra più lunghi creano inoltre dei loop con risonanze induttive, comportando risultati di misurazione meno accurati. Le sonde per binari di alimentazione spesso includono altre interessanti dotazioni che permettono di misurare l’integrità in modo più semplice e veloce. Una di queste è il misuratore Dc. Ad esempio, la versione ZPR20 prevede un ProbeMeter integrato (cioè un contatore Dc ad alta precisione indipendente dal sistema di acquisizione) che consente di visualizzare il valore Dc senza richiedere la presenza del binario Dc sul display oscilloscopio. Inoltre, il valore misurato può essere utilizzato per impostare l’offset evitando la necessità di determinare e inserire manualmente il valore esatto. Una seconda funzionalità è l’accoppiamento in corrente alternata. Attivare l’accoppiamento Ca pregiudica la possibilità di vedere la deriva, ma può essere utile per chi desidera spostarsi rapidamente da un binario all’altro e misurare esclusivamente ripple e rumore. Gli utenti possono muoversi rapidamente tra le diverse alimentazioni Dc senza dover regolare la tensione di compensazione di offset.

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