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Power Integrity: Verifikation mit dem Oszilloskop: Ausgabe 13/2018, 15.08.2018

Enge Spannungstoleranzfenster exakt verifizieren

CPUs, Speicherbausteine und FPGAs arbeiten mit stetig sinkenden DC-Versorgungsspannungen und erfordern die Einhaltung immer engerer Toleranzfenster. Störsignale auf dem DC-Stromversorgungsnetz können die Funktion der Schaltung beeinträchtigen und zu sporadischen Fehlern führen. Abhilfe schafft die Qualifizierung der Stromversorgung mit Power-Rail-Tastköpfen noch während der Design-Phase.

Autor: Gerald Wacker, Leiter Messtechnik Roschi Rohde & Schwarz, Text und Bilder

Die Folgen der Funktionsbeeinträchtigung sind Speicherfehler bei schnellen DDR-Speichern, eine reduzierte Datenrate schneller digitaler Schnittstellen oder eine nicht erklärbare Reduktion der Empfindlichkeit analoger Empfängerbausteine. Abhilfe schafft die Qualifizierung der Stromversorgung mit Power-Rail-Tastköpfen noch in der Design-Phase. Mit diesen spezialisierten Tastköpfen lassen sich dank ihrer hohen Bandbreite selbst sehr breitbandige Störungen finden. Mit ihrer hohen Empfindlichkeit bei gleichzeitig hoher Offsetmöglichkeit lassen sich auch sehr enge Spannungstoleranzfenster exakt verifizieren.

Störsignale können zu EMV-Problemen führen
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. Ein typisches Beispiel dafür sind DDR4-Speicher. Im Vergleich zu DDR3-Speichern steigt die maximale Datenübertragungsrate von 2133 auf 3200 MBit/s. Ein Taktintervall beträgt bei DDR4-Speichern nur 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 können zu Fehlern bei der Datenübertragung führen. 

Oszilloskop – das Messgerät der Wahl
Oszilloskope sind für Power-Integrity-Messungen das Messgerät der Wahl. Mit ihnen lassen sich 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. 
In der Vergangenheit wurden meist passive Tastköpfe für diese Messungen verwendet. Für die Verifikation von Stromversorgungsnetzen moderner Designs haben diese allerdings wesentliche Nachteile, wie:
eine hohe Empfindlichkeit lässt sich nur mit 1:1-Tastköpfen erreichen, deren Bandbreite ist jedoch auf <40 MHz beschränkt
eine viel höhere Bandbreite ist mit passiven 10:1-Standardtastköµfen möglich, aber nur bei sehr reduzierter Empfindlichkeit 

Power-Rail-Tastköpfe bieten Vorteile 
Eine Kombination von hoher Empfindlichkeit, hoher Messbandbreite, hohem Offsetbereich und hoher DC-Genauigkeit lässt sich nur mit speziell entwickelten Tastköpfen erreichen. Rohde & Schwarz bietet für diese Applikation die Power-Rail-Tastköpfe R&S RT-ZPR20/40 an. Diese kombinieren einen für niedrige Frequenzen aktiven Schaltungsteil mit einem für hohe Frequenzen passiven Schaltungsteil und bringen damit entscheidende Vorteile für die Qualifikation von Stromversorgungsnetzen:
hohe Empfindlichkeit und geringes Rauschen – durch die 1:1-Übertragung des Messsignals lässt sich eine Auflösung von 1 mV/Div am Oszilloskop erreichen, auf R&S RTE1000-Oszilloskopen sogar 500 µV/Div
hohe Messbandbreite bis 4 GHz – moderne IoT-Designs kombinieren oft HF-Sende- und -Empfangspfade auf engstem Raum mit CPU und Speicherchips. Ein ungünstiges Layout oder unzureichende Entkopplung des Stromversorgungsnetzes kann zur Einkopplung breitbandiger Störsignale auf das Stromversorgungsnetz führen

DC-Offset-Bereich von ±60 V
Mit 2 GHz Bandbreite lassen sich mit dem R&S RT-ZPR20 Power-Rail-Tastkopf bereits die meisten hochfrequenten Störsignale sicher detektieren. Speziell für die Messung an Embedded-Komponenten im Mobil- und IoT-Bereich  ist der Tastkopf R&S RT-ZPR40 konzipiert. Er bietet 4 GHz Bandbreite und kann eingekoppelte Signale im ISM- bei 2,4 GHz und im LTE-Band bei 3 GHz sowie in höheren HF-Bändern bis 4 GHz aufspüren. Die meisten digitalen Stromversorgungsnetze arbeiten mit Spannungen <5 V. Sollen allerdings auch analoge Stromversorgungsnetze analysiert werden, sind deutlich höhere Offsetspannungen nötig. Meistens werden dort hohe Spannungen benötigt, gleichzeitig spielen Störsignale auf dem Stromversorgungsnetz von Analogkomponenten häufig eine grosse Rolle für die Messung.

DC-Genauigkeit von 0,1 % 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 einer Genauigkeit von typ. 0,1 %. Der Messwert wird über die Tastkopfschnittstelle zum Oszilloskop übertragen und am Display angezeigt. Damit ist eine exakte Verifikation von Versorgungsspannungstoleranzen mit einem einzigen Tastkopf möglich. Das macht die Lösung auch besonders für automatisierte Tests interessant, da kein zusätzliches DC-Voltmeter benötigt wird.

Der passende Anschluss
Es gibt mehrere Möglichkeiten, einen Power-Rail-Tastkopf an eine Spannungsversorgung auf einer Leiterplatte anzuschliessen. Für die schnelle Überprüfung mehrerer Stromversorgungen in einem elektronischen Design eignet sich besonders der im Lieferumfang enthaltene 350-MHz-Browser. Das ist eine Tastspitze, die per SMA-Anschluss an den Rohde & Schwarz-Tastkopfadapter angeschlossen wird. Massefedern zum Minimieren von Erdschleifen oder Clips zum Anklemmen an Bauteile oder Testpunkte gehören ebenfalls zum Lieferumfang. Für genauere, breitbandige und rauscharme Messungen ist eine hochwertige Verbindung erforderlich. Meist wird dafür das mitgelieferte 50-Ω-SMA-Koaxialkabel (Pigtail-Kabel) verwendet. Dieses wird am Testpunkt eingelötet und ermöglicht eine störungsarme und breitbandige Verbindung.

Fazit
Die engen Toleranzen für die Stromversorgung moderner CPU-, DDR- und FPGA-Komponenten überfordern oft herkömmliche Oszilloskope und Tastköpfe. Rohde & Schwarz hat genau für diese Anwendung die 1:1-Power-Rail-Tastköpfe R&S RTZPR20 und RTZPR40 konzipiert. Sie messen die Spannung auf Stromversorgungsnetzen mit hoher Empfindlichkeit und bringen eine Reihe weiterer Vorteile: einen Offsetbereich von ±60 V, bis 4 GHz Bandbreite, 50 kΩ DC-Eingangsimpedanz und ein integriertes DC-Voltmeter. Die Tastköpfe sind speziell für die Oszilloskope R&S RTE (200 MHz bis 2 GHz) und R&S RTO (600 MHz bis 6 GHz) konzipiert. Darüber hinaus sind sie voll kompatibel mit den neuen Embedded-Oszilloskopen R&S RTM3000 und R&S RTA4000. 

Infoservice
Roschi Rohde & Schwarz AG
Mühlestrasse 7, 3063 Ittigen
Tel. 031 922 15 22, Fax 031 921 81 01
sales@roschi.rohde-schwarz.com
www.rohde-schwarz.com/ch



Zwei Power-Rail-Tastköpfe R&S RT-ZPR20 am Oszilloskop R&S RTO. Einer ist an ein Koaxialkabel angeschlossen, das mit der Schaltung verlötet ist, am zweiten ist der «Browser» angebracht, eine Tastspitze für schnelle Übersichtsmessungen


Die Power-Rail-Tastköpfe R&S RT-ZPR20/40 verfügen über einen integrierten R&S ProbeMeter, der zusätzlich zu den Signaldetails auch den Gleichspannungswert des Stromversorgungsnetzes anzeigt


Die Spektralanalysefunktion der R&S-Oszilloskope ist ein wertvolles Werkzeug zum Identifizieren eingekoppelter Störsignale auf DC-Stromversorgungsnetzen


Einlötbare Pigtail-Koaxialkabel schränken die Bandbreite des Tastkopfs nicht ein und erlauben die Anbindung genau an der Stelle, an der die Messung durchgeführt werden soll


Power-Rail-Tastkopf R&S RT-ZPR40 mit Tastkopf­adapterkabel und einem angeschraubten 50-Ω-SMA-Pigtail-Koaxialkabel zum Einlöten
in die Schaltung