
Данная статья представлена в виде авторского перевода технического отчёта компании Tektronix [1].
Введение
Стандартные дифференциальные пробники часто не способны обеспечить требуемое представление фактического сигнала из-за ограниченного значения коэффициента подавления синфазного сигнала (Common Mode Rejection Ratio, далее — CMRR), ухудшения их номинальных характеристик в зависимости от частоты, собственной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и длины кабелей пробника. Эти ограничения в большей степени негативно проявляют себя при тестировании мощных преобразователей с высокой скоростью переключения, причем даже при номинальном синфазном напряжении.
Как же обойти такие ограничения? Для этого необходимо сначала оценить возникающие при измерениях погрешности и найти решение для их нивелирования.
Исходя из сказанного, рассмотрим возможные источники погрешностей измерения и покажем, как их можно преодолеть с помощью предлагаемой компанией Tektronix изолированной измерительной системы под названием IsoVu. Подробная информация о данной системе представлена в техническом документе компании Tektronix, доступном по ссылке [2].
Источники погрешности измерения
Дифференциальные пробники подключены к общему проводу.
Бытует ошибочное мнение, что потенциал дифференциального пробника является плавающим, но на самом деле традиционные дифференциальные пробники работают на основе дифференциальных усилителей, которые подключены к общему проводу или заземлению. Такое подключение ограничивает диапазон синфазного напряжения, вызывает снижение его допустимой частоты, создает паразитные контуры заземления и в итоге ограничивает подавление синфазного сигнала. Для устранения столь нежелательных эффектов идеальный дифференциальный пробник должен быть гальванически изолирован от общего провода или «земли». Усовершенствованная архитектура измерительной системы Tektronix IsoVu как раз и обеспечивает полную гальваническую развязку, которая достигается за счет оптоволоконного подключения.
Недостаточно высокий коэффициент подавления синфазного сигнала
Коэффициент подавления синфазного сигнала или, как его обозначают в технической литературе и спецификациях, — CMRR, определяет способность дифференциального пробника подавлять при дифференциальном измерении сигнал, который является синфазным по отношению к обеим точкам подключения. В идеальном случае значение CMRR для пробника должно быть бесконечно большой величиной, но у традиционных дифференциальных пробников, поскольку невозможно полностью согласовать два входных сигнала между собой, этот коэффициент ограничен.
На практике пригодными для измерения можно считать те пробники, у которых величина CMRR превышает 80 дБ (10 000:1). В тех случаях, когда обеспечена точная настройка характеристик компонентов, CMRR большинства дифференциальных пробников для измерения напряжения постоянного тока и для переменного на низких частотах, как правило, превышает 80 дБ и не вызывает проблем, связанных с CMRR. Но по мере увеличения частоты измеряемых сигналов (в том числе и при измерении сигналов с крутыми фронтами, что требует соответствующей им полосы пропускания) коэффициент CMRR дифференциального пробника ухудшается. Это связано с тем, что с ростом частоты возникающее при этом рассогласование сложно компенсировать, вот почему на частотах от 100 МГц CMRR большинства измерительных систем не превышает 20 дБ.
Рассмотрим измерения на примере полумоста, часто используемого в преобразователях. Его упрощенное представление приведено на рис. 1. Выполнение точных измерений на транзисторе верхнего плеча может оказаться проблематичным из-за комбинации скорости включения/выключения ключа и наличия синфазного напряжения.
Как видно на рис. 1, синфазное напряжение затвор-исток VCM относительно общего провода составляет 40 В, а требуемое нам дифференциальное напряжение затвор-исток VDM равно всего 5 В. При проведении этого измерения следует понимать, что в спецификации на преобразователь, как правило, будет указана рабочая частота преобразования. Но мы будем иметь дело не только с ней и, соответственно, не с периодом переключения компонента, для нас и пробника критическим здесь будет длительность фронтов рабочих импульсов, которая обычно намного меньше длительности рабочих импульсов. При этом их частота и длительность может быть переменной, например, при частотном регулировании и использования широтно-импульсной модуляции.
Рис. 1. Пример типового измерения дифференциального сигнала в полумостовой схеме
Характеристика CMRR пробника обычно указана в техническом описании. Как правило, величина этого параметра значительно превышает допустимое значение 80 дБ (10 000:1). При дальнейшем ознакомлении с техническим описанием выясняется, что указанные значения параметров не столь впечатляющие. Например, у дифференциального усилителя DA1855A от компании Teledyne LeCroy, Inc., который долгое время считался лучшим в своем классе для измерения сигналов в силовых цепях, значение CMRR составляет 100000:1, что верно для постоянного тока, но уже на частоте 70 Гц оно падает вдвое, до 50000:1. Во всей полосе пропускания усилителя, а это заявлено как не менее 100 МГц, величина CMRR составляет всего 20 дБ, или 10:1.
Из вышесказанного следует, что, сравнивая требования к результатам измерения конкретного схемотехнического решения того или иного изделия, необходимо привести в соответствие CMRR измерительной системы с длительность фронтов импульсов в критически важных измерениях. Проще всего выбор сделать по графику зависимости значения CMRR от частоты, который обычно приводится в руководстве пользователя. Пример такого графика, демонстрирующего зависимость параметров измерительного пробника от частоты, представлен на рис. 2, где сравниваются значения CMRR усилителя DA1855A компании Teledyne LeCroy с характеристикой измерительной системы IsoVu от компании Tektronix
Рис. 2. Ухудшение показателя CMRR пробника с ростом частоты
Ухудшение номинальных рабочих характеристик с ростом частоты
Примером такого уменьшения допустимого напряжения служит характеристика высоковольтного дифференциального пробника N2790A от компании Keysight Technology с рабочей полосой частот 100 МГц, показанная на рис. 3. Номинальное напряжение Vrms пробника N2790A при постоянном токе составляет 1 кВ и уже как среднеквадратичное на низких частотах, но на частоте 2 МГц характеристики пробника начинают ухудшаться, и если говорить о всей заявленной полосе пропускания, то в ней такой пробник способен нормально функционировать только при напряжении в несколько вольт.
Рис. 3. Уменьшение номинального напряжения с ростом частоты дифференциального пробника N2790A от компании Keysight Technology
Длинные подводящие провода
Рис. 4. Традиционный дифференциальный пробник с аксессуарами от компании Tektronix
В типовом приложении пара пробников подключается к входу дифференциального усилителя. Эти пробники различаются по длине проводов, ориентации, восприимчивости и нагрузке, что делает такие измерения невоспроизводимыми. Как правило, чтобы решить проблему с длинными проводами, их скручивают (свивают с определенным шагом) или укорачивают. Однако такие ухищрения не всегда помогают решить исходную задачу — повысить точность измерений.
Идеальный дифференциальный пробник должен быть невосприимчивым к вариациям длины кабеля подключения, различиям по ориентации и восприимчивости по нагрузке. Уникальная архитектура пробника IsoVu от компании Tektronix исключает необходимость использования согласованных подводящих проводов, обеспечивая истинно дифференциальный вход с экранированной структурой.
Точные дифференциальные измерения зависят от совокупности характеристик измерительной системы, синфазного напряжения и возможности подавления синфазного сигнала. Однако контрольно-измерительные приборы, предназначенные для испытания мощных полупроводниковых преобразователей энергии, испытания их на уровень электромагнитных помех и устойчивость к электростатическим разрядам в ходе проверки выполнения требований по электромагнитной совместимости, а также для дистанционного измерения, в целом не соответствуют современным требованиям. Появление на рынке пробника IsoVu от компании Tektronix решило эту задачу.
Пробники IsoVu применяются в следующих областях:
• Разработка импульсных источников питания.
• Разработка/анализ мощных полевых транзисторов для устройств на основе широкозонных полупроводников (GaN и SiC).
• Разработка инверторов.
• Разработка приводов электродвигателей.
• Измерения инжекции объемного тока (BCI) и электростатических разрядов (ESD).
• Измерения токов при помощи шунтов.
• Дифференциальное напряжение: ±2500 В.
• Синфазное напряжение: ±60 кВ.
• Полосы пропускания: 200 и 500 МГц, 1 ГГц.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала в полосе частот:
– 0 Гц — 160 дБ;
– 100 МГц — 100 дБ;
– 200 МГц — 100 дБ.
• Длина оптоволоконного кабеля: 2 м (для пробников с индексом L: 10 м).
Появление пробника с гальванической развязкой, такого как IsoVu от компании Tektronix, свидетельствует о том, что первый шаг в преодолении целого ряда ограничений в части дифференциальных измерений в условиях сильных синфазных напряжений и помех уже сделан. Новая технология компании Tektronix позволяет работать в широкой полосе пропускания с высоким синфазным напряжением и высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала, обеспечивая высокую достоверность для сложных дифференциальных измерений.
Пробники IsoVu с гальванической развязкой
Как измерить быстрые сигналы с плавающим уровнем, которые неразличимы при использовании неизолированных пробников? Решение есть: использовать изолированный пробник.
Пробник IsoVu со схемой оптической развязки практически исключает синфазную составляющую, мешающую рассмотреть требуемый сигнал. Это позволяет выполнять точные дифференциальные измерения при напряжении синфазного сигнала до ±60 кВ, которое может меняться со скоростью 100 В/нс и быстрее. Система IsoVu второго поколения обладает всеми характеристиками и преимуществами технологии IsoVu, но занимает в пять раз меньше места.
С выпуском пробников IsoVu Gen 2 (показан на рисунке) с универсальными разъемами MMCX и оптимальным сочетанием полосы пропускания, динамического диапазона и коэффициента ослабления синфазного сигнала, был установлен новый стандарт конструкции изолированных пробников. В сочетании с осциллографами MSO серий 4/5/6, пробники IsoVu обеспечивают эффективный и надежный способ выделения широкополосных дифференциальных сигналов на фоне быстро меняющихся синфазных сигналов, чтобы разработчики могли не тратить драгоценное время на проектирование «вслепую», если им необходимы:
• плавающие измерения в источниках питания;
• измерение тока при помощи шунтирующих резисторов;
• отладка проблем устойчивости к электростатическим разрядам и электромагнитным помехам;
• разрыв связи с контурами заземления.
Ознакомиться с широким выбором пробников и принадлежностей более чем из ста наименований, предлагаемых компанией Tektronix, полностью совместимых с ее несомненно лучшими в отрасли осциллографами, и выбрать нужный пробник под конкретную задачу можно обратившись к авторизованному дилеру компании Tektronix – ООО «Альфа Инструментс» любым удобным способом: воспользоваться формой обратной связи на сайте, по телефону: +7 (383) 203-10-00 или по e-mail: info@alfa-instr.ru.
Литература:
1. Neville T. Isolation Addresses Common Sources of Differential Measurement Error. Technical Brief.
Tektronix. Скачать файл.
2. Tektronix IsoVu Measurement System. White Paper. Tektronix. Скачать файл.