La misura dei parametri che caratterizzano l’integrità del segnale come il ripple (ondulazione residua), il rumore e le componenti dei transitori di commutazione in una rete di distribuzione dell’alimentazione sta divenendo sempre più importante, dato che le specifiche sulla regolazione dell'alimentazione in corrente continua (DC) sono diventate sempre più stringenti.

Attualmente la tendenza è di richiedere una tolleranza di regolazione migliore del ± 5% in molti standard impiegati nelle schede dei computer, poiché si adottano tensioni di alimentazione sempre più basse per ridurre la dissipazione di potenza.

Gli standard più recenti dei bus di comunicazione digitali funzionano con un'escursione di tensione molto ridotta al ricevitore (swing), richiedendo così un’alimentazione estremamente pulita e con specifiche di ripple e rumore sempre più vincolanti.

Di conseguenza, i progettisti che si occupano di integrità dell’alimentazione devono affrontare sfide sempre più impegnative e specifiche di rumore sempre più stringenti per il funzionamento dei dispositivi di potenza.

Questo articolo descrive delle efficaci tecniche di misura del ripple, del rumore e dei transitori di commutazione sulle linee di alimentazione utilizzando un oscilloscopio ed una sonda.

Criticità delle misure con l’oscilloscopio

Gli oscilloscopi realtime vengono comunemente impiegati per misurare l’integrità dei segnali di alimentazione in quanto questi strumenti offrono una visualizzazione sia nel dominio del tempo che della frequenza, ampia larghezza di banda, potenti funzioni di misura integrate e la capacità di analizzare i segnali con sonde che introducono pochi contributi parassiti.

Gli oscilloscopi possono fornire anche una prospettiva unica sulle cause del rumore. Tuttavia, ci sono alcune complicazioni che rendono più difficile l’uso degli oscilloscopi per le misure di integrità delle linee di alimentazione.

• Per riuscire a vedere un piccolo ripple e rumore sovrapposto ad una tensione di alimentazione, è necessario eliminare la componente DC del segnale acquisito e zoomare sui piccoli segnali AC con le scale di maggiore sensibilità come 1 o 2 mV/div.
  In questo modo è possibile effettuare misure più accurate dei segnali AC e ridurre l’impatto del rumore dell’oscilloscopio sui risultati.
  Di conseguenza, si impiega comunemente un accoppiamento AC in ingresso, disponibile solo con impedenza di ingresso di 1 MΩ.
• Con l’ingresso a 1 MΩ, la banda dell’oscilloscopio è tipicamente limitata a 500 MHz o meno, risultando insufficiente per analizzare le componenti dei segnali ad alta frequenza (sopra i 500 MHz)
• Per osservare il comportamento ad alta frequenza, l’utente è costretto ad impostare l’impedenza di ingresso dell’oscilloscopio a 50 ohm e quindi ad utilizzare una sonda terminata a 50 Ω.

La sonda fa la differenza

Cavo coassiale modificato per diventare sonda 1:1 terminata a 50 ohmIn molte misure di rumore sulle alimentazioni vengono diffusamente impiegati dei semplici cavi coassiali a 50 Ω con una terminazione libera o una terminazione con pin a molla.

Questa tipologia di sonde presenta un’impedenza di ingresso di 50 Ω su tutto lo spettro fino alla continua. Dato che l’impedenza di uscita di un alimentatore stabilizzato è prossima a zero, pilotare un carico da 50 ohm non dovrebbe essere un problema. Una tensione di alimentazione di 1 V su di un carico da 50 ohm (la sonda) assorbe una corrente di 20 mA.

Per eliminare la componente DC di una linea di alimentazione, si impiega spesso un condensatore di disaccoppiamento, posto tra la sonda e l’oscilloscopio. Questa soluzione funziona abbastanza bene, anche se, così facendo, si filtrano le componenti AC a bassa frequenza, oltre alle componenti in DC.

Di conseguenza, la misura eseguita tramite il condensatore di disaccoppiamento può risultare inaccurata in quanto non in grado di misurare i segnali a bassa frequenza.

L’inserimento di un condensatore di capacità C in serie al cavo crea un semplice filtro passa alto, caratterizzato da una costante di tempo:

La nuova sonda N7020A di Keysight per linee di alimentazione rappresenta una soluzione innovativa per correggere questo problema.

Quando la sonda viene connessa ad un oscilloscopio Keysight compatibile, il sistema di controllo dell’offset verticale dello strumento regola l’offset di quel canale a zero. In questo modo la tensione DC dell’alimentazione viene sottratta dal segnale in ingresso tramite il riferimento di offset fornito dall'oscilloscopio attraverso la sonda, prima che questo entri nell'amplificatore della sonda stessa.

Dato che la sottrazione è eseguita prima di qualsiasi circuito attivo della sonda, la dinamica dell’offset del sistema di misura può raggiungere i ± 24 V; in questo modo, sarà possibile misurare piccole componenti AC sovrapposte a segnali compresi in questo range, mantenendo il segnale sul display sempre centrato attorno allo zero e avendo la possibilità di impostare la scala verticale ad alte sensibilità, così da poterlo visualizzare e misurare accuratamente.

Si tratta di una modalità molto efficace per eliminare la componente DC di una linea di alimentazione e di estrarre le piccole componenti AC.

Rumore dell’oscilloscopio e della sonda

Gli oscilloscopi realtime e le sonde attive, introducono un loro rumore caratteristico, di cui dobbiamo tenere conto

Se il rumore che si vuole misurare sulla linea di alimentazione è di ordine simile o superiore rispetto al fondo di rumore dell’oscilloscopio e della sonda, eseguire una misura accurata diventerà critico.

La prima considerazione fondamentale nella scelta dell’oscilloscopio più adatto per queste misure è quella di optare per un oscilloscopio a basso rumore e ad elevata risoluzione verticale.

Le prestazioni di rumore e di risoluzione sono tipicamente riportate nella scheda tecnica o nel manuale dello strumento. Gli oscilloscopi tradizionali hanno una risoluzione verticale di 8 bit, caratterizzata dalle prestazioni del convertitore A/D.

Invece, gli oscilloscopi moderni come quelli della serie S di Keysight offrono una risoluzione standard di 10 bit del convertitore A/D e prestazioni di rumore estremamente buone, offrendo una risoluzione migliore di quattro volte rispetto ad un oscilloscopio con un convertitore A/D da 8 bit.

Confronto nella misura dell’uscita di un alimentatore switching tra una sonda 1:1 (giallo) ed una sonda 2:1 (blu)

A volte il collegamento di una sonda tradizionale ad un oscilloscopio comporta un aumento del rumore sullo strumento. Quando si acquista un oscilloscopio realtime viene normalmente fornita una sonda passiva 10:1 per ogni canale.

Tali sonde sono ottime per misure general purpose di segnali ad ampia dinamica. Tuttavia, non rappresentano la scelta migliore nel caso di misure di piccole tensioni, come le fluttuazioni delle tensioni all'uscita degli alimentatori.

In questo caso il colpevole è il fattore di attenuazione della sonda.

Normalmente l’attenuazione aiuta ad estendere la dinamica di ingresso della sonda, consentendo all'utente di misurare segnali di grande ampiezza.

Quando, invece, si misurano piccole tensioni, la sonda attenua il segnale che poi viene successivamente amplificato dall'oscilloscopio, causando così un peggioramento del rapporto segnale/rumore della misura.

Di conseguenza, una sonda con un basso fattore di attenuazione rappresenta una scelta migliore per misurare piccoli segnali di tensione.

Altri suggerimenti di misura che vi renderanno la vita più facile

Primo: in molte misure della qualità dell’alimentazione i valori di ripple e di rumore vengono a volte indicati considerando una banda di 20 MHz. Tale limite evita di includere il rumore ad alta frequenza non prodotto internamente. Di conseguenza, il limite di banda opportuno andrebbe impostato nell’oscilloscopio impiegato per tali misure.

Secondo: l’area del loop formato dal collegamento di massa della sonda può costituire la principale sorgente di raccolta di interferenze elettromagnetiche.

Si ricordi di minimizzare l’area del loop di massa e di mantenere a bassa induttanza il collegamento verso massa.

Se possibile, si consiglia di posizionare la sonda direttamente a cavallo del condensatore di uscita dell’alimentatore per ridurre l’area del loop. Questa soluzione presenta il vantaggio aggiuntivo di ridurre la lunghezza della punta scoperta della sonda, che può captare i disturbi elettromagnetici vicino all'alimentatore, riducendo così ulteriormente l’effetto delle interferenze.

Terzo: l’analisi nel dominio della frequenza attraverso la funzione FFT dell’oscilloscopio spesso offre più informazioni sulla natura del rumore acquisito.

La trasformata veloce di Fourier può fornire una visione veloce delle sorgenti all'interno del circuito da cui hanno origine il ripple, il rumore e gli impulsi nel transitorio.

Ad esempio, se si impiega un alimentatore switching con una certa frequenza di commutazione e un dato segnale di clock, facilmente si potranno visualizzare nel dominio della trasformata delle spurie alla frequenza di commutazione e a quella di clock.

La FFT aiuta a comprendere meglio la natura del rumore acquisito

Conclusioni

La scelta e l’impiego di un oscilloscopio e di una sonda adeguati ci può permettere di comprendere più velocemente cosa sta succedendo in termini di integrità del segnale nella rete di distribuzione dell’alimentazione.

Teniamo dunque a mente i consigli e le tecniche descritti in questo articolo.

*Marco Vivarelli lavora in Keysight Technologies come Sales Specialist