Zunehmend höhere Datenraten treiben die Anforderungen an die Qualität der Takt- und Datensignale nach oben. Um einen geringen Leistungsverbrauch zu erlangen, werden Chipsätze mit immer geringeren Versorgungsspannungen eingesetzt. Die Versorgungsspannung selbst muss störungsfrei sein und immer engere Toleranzlimits einhalten, damit die von Chipsätzen generierten Signale die hohen Signalintegritätsanforderungen erfüllen können. Dadurch bekommt das Thema Power-Integrität immer mehr Gewicht.
Bei der Power-Integrität geht es darum, eine hohe Qualität der Versorgungsspannung sicherzustellen. Die Versorgungsspannungen von elektronischen Schaltungen bestehen fast ausschließlich aus Gleichspannungen (DC). Für die Qualitätsmessung kommt in der Regel ein Oszilloskop mit entsprechendem Zubehör zum Einsatz, welches in der Lage ist, Versorgungsspannungen hochaufgelöst und mit geringem Eigenrauschen darzustellen. DC-Versorgungsspannungen sollten idealerweise konstant und störungsfrei sein. In der Realität jedoch weisen sie eine gewisse Welligkeit und überlagertes Rauschen auf. Um zu verstehen, wie das entsteht, bedarf es eines Blicks in den Aufbau des Versorgungsspannungsnetzwerks.
Typischerweise liefert die Quelle eines Versorgungsspannungsnetzwerks, wie beispielsweise ein AC/DC-Netzteil oder eine Batterie, die sogenannte Bordspannung. Diese Spannung ist eine Gleichspannung und liegt zum Beispiel bei 5 oder 12 V. Von dieser Grundversorgung aus werden alle aktiven Bauteile mit den notwendigen Spannungen und Strömen versorgt. Allerdings benötigen unterschiedliche Bauteile unterschiedliche Spannungen, sodass zehn bis 20 verschiedene Spannungspegel keine Seltenheit sind. Für den Entwickler bedeutet das, dass er die gegebene Bordspannung für jede Komponente anpassen muss. In der Regel werden dazu sehr effektive Schaltregler eingesetzt. Ein Nachteil der Schaltwandler gegenüber den weniger effektiven Linearreglern ist, dass die DC-Spannung durch die Regelung verunreinigt wird und auf dem DC-Signal überlagerte periodische Störungen entstehen. Diese werden Restwelligkeit oder Ripple genannt.
Beim Umsetzen der Spannungspegel entstehen aber nicht nur Ripple sondern auch zufällige, nicht periodisch auftretende Abweichungen, die allgemein unter dem Oberbegriff Rauschen zusammengefasst werden. Den größten Anteil davon machen das Schaltrauschen der Spannungsquelle und das von den Schaltströmen der versorgten Schaltung verursachte Rauschen aus. Hinzu kommen das thermische Rauschen und Störungen von benachbarten Schaltungen.
Zu den Störungen beziehungsweise Abweichungen, die durch die Schaltregelung und den Aufbau entstehen, muss auch das dynamische Verhalten untersucht werden. Plötzliche Änderungen des Laststromes, hervorgerufen zum Beispiel durch einen Zustandswechsel eines Mikrocontrollers vom Ruhe- in den Betriebsmodus, bewirken einen kurzzeitigen Einbruch der Versorgungsspannung. Dieser Einbruch darf, ebenso wie Ripple und das Rauschen, vom Hersteller vorgegebene Grenzen nicht überschreiten und muss in absehbarer Zeit wieder geregelt sein. Eine weitere, wichtige Kenngröße von Spannungsversorgungen ist die DC-Genauigkeit. Dafür sind zwei Parameter relevant. Zum einen der absolute Spannungspegel und zum anderen die Langzeitstabilität dieses Pegels.
Um sicherzustellen, dass sich alle beschriebenen Parameter innerhalb der vorgegebenen Grenzen befinden, ist es bereits während des Entwicklungsprozesses wichtig, diese mittels geeigneter Messtechnik zu verifizieren.
Messtechnische Herausforderung steigt
Die Anforderungen an die messtechnische Bestimmung von Rauschen, Restwelligkeit, dynamischem Verhalten und der DC-Genauigkeit sind in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Die steigende Integrationsdichte der Chips, die resultierenden kleineren Abmessungen und das Designziel eines geringeren Leistungsverbrauchs sind Gründe dafür, dass die Versorgungsspannungspegel der Komponenten sinken. Parallel wurden durch die Chiphersteller ebenfalls die erlaubten Toleranzen für Restwelligkeit und Rauschen reduziert. Diese Entwicklung führt dazu, dass die zu messenden Störsignale immer kleinere Pegel aufweisen. Damit steigt die messtechnische Herausforderung an das Messsystem, bestehend aus Oszilloskop und Tastkopf, da das Eigenrauschen des Messsystems häufig ähnliche Größenordnungen aufweist wie das zu messende Störsignal. Das Rauschen überlagert das zu messende Signal und führt dazu, dass das Ergebnis schlechter dargestellt wird, als es tatsächlich ist. Unter Umständen kann das dazu führen, dass eine Toleranzverletzung erkannt wird, obwohl diese nicht vorhanden ist.
Hinzu kommt, dass am Oszilloskop oft ein nicht ausreichender Spannungs-Offset eingestellt wird und damit nicht die optimale, vertikale Auflösung am Oszilloskop ausgenutzt wird. Das hat zur Folge, dass die Messunsicherheit weiter ansteigt. Ein Lösungsweg kann sein, den AC-Modus des Oszilloskops zu verwenden oder einen DC-Blocker einzufügen. Allerdings hat das zur Folge, dass die Information des Gleichspannungsanteils verloren geht und ein möglicher langsamer Drift nicht erkannt wird. Um am Ende der Messung sicher zu sein, dass die DC-Spannung inklusive Drift, Ripple und Rauschen innerhalb der spezifizierten Toleranz bleibt, ist es daher essentiell, ein hochwertiges Messsystem zu verwenden.
Signalanalyse im Frequenzbereich
Die meisten für diese Art der Messung angebotenen Lösungen basieren darauf, ein Oszilloskops zusammen mit Spezialtastköpfen zu verwenden. Die Tastköpfe sind meist aktiv, haben ein Tastverhältnis von 1:1 und ein kleines Eigenrauschen. Zur Kompensation des DC-Spannungspegels besitzen sie eine eingebaute Offset-Spannungsquelle. Die einstellbare Offsetspannung kann bis zu ±60 V groß sein. Die Bandbreite der aktuell am Markt befindlichen Tastköpfe ist 2 GHz oder größer. Damit können auch hochfrequente, eingekoppelte Störungen von benachbarten Signalen, wie einer 5-GBit-Datenleitung oder eines 2,4-GHz-WiFi-Signals, erfasst werden. Diese eingekoppelten Signale haben in der Regel kleine Pegel und es ist so gut wie unmöglich, sie im Zeitbereichssignal zu finden oder gar zu analysieren. Hier bietet die Analyse im Frequenzbereich einen Vorteil. Mit Hilfe der FFT-Funktion (Fast Fourier Transformation) des Oszilloskops können die Störungen gut erkannt werden und durch Analyse der Frequenz kann oft die Quelle der Störung lokalisiert werden.
Neben der Analyse des Signals bezüglich Restwelligkeit und Rauschen verbergen sich auch hinter dem Vermessen der DC-Genauigkeit einige Herausforderungen. Die enger werdenden Toleranzen erfordern eine genaue Bestimmung des absoluten DC-Pegels. Die Schwierigkeit für die Messung mit dem Oszilloskop ist darin begründet, dass das mit dem Tastkopf abgegriffene Signal im Oszilloskop meist mit 8 Bit gewandelt wird. Zum Beispiel ergibt sich bei einer vertikalen Einstellung von 200 mV pro Einteilung und einer 8-Bit-Wandlung eine Genauigkeit von 6,25 mV. Bei einem Toleranzband von beispielsweise 30 mV bedeutet das, dass der Anwender mehr als 20 Prozent Unsicherheit einkalkulieren muss.
Die ideale Lösung hierfür bietet ein Tastkopf mit integriertem Spannungsmesser (Abbildung 2). Das integrierte Voltmeter basiert auf einem 16-Bit-Wandler. Damit kann der Spannungswert um 256-mal genauer bestimmt werden, als mit einem Tastkopf ohne dieses Feature.
Einfluss von Rauschen und Ripple
Bei Nichteinhalten der vorgegebenen Pegel und Toleranzen, kann die Funktion des ganzen Systems beeinträchtigt werden. Ein einfaches Beispiel hierfür ist ein Mikrocontroller, der sich aufgrund eines zu tiefen und langen Spannungseinbruchs beim Lastwechsel zurücksetzt und neu startet. Dieses Fehlverhalten ist offensichtlich und lässt sich relativ leicht zurückverfolgen und beheben. Anders verhält es sich, wenn nicht sofort das System abstürzt, sondern nur die Qualität der Signale schlechter wird und Fehler sporadisch auftreten. Eine moderne elektronische Schaltung enthält eine Reihe von aktiven Komponenten, welche bei unzureichender Versorgungsspannung Ursache für Schwierigkeiten sein können.
Spannungsgeregelte Oszillatoren (VCO) sind zentrale und wichtige Komponenten. Sie unterliegen hohen Anforderungen und haben genauso hohe Ansprüche an die Qualität der Spannungsversorgung. Eine zu hohe Restwelligkeit oder Rauschen auf der Spannung verursacht ein erhöhtes Phasenrauschen am Ausgangssignal. Integriert in einen PLL (Phase Locked Loop) oder einen Taktgenerator pflanzt sich diese Störung weiter fort und führt dadurch zu einem erhöhten Jitter des Taktsignals oder einer Instabilität des PLL. Wird zum Beispiel ein Analog-Digital-Wandler (ADC) mit diesem von Jitter behafteten Takt versorgt, können bei der Wandlung Bitfehler entstehen. Als Folge davon werden Sensorwerte falsch konvertiert und verarbeitet.
Die Beispiele zeigen, dass ein enger Zusammenhang zwischen Signal- und Power-Integrität besteht. Daher kann eine ungenügende Betrachtung des Themenkomplexes Power-Integrität oder ungenaue Messungen der Grund für Schwierigkeiten der Signal-Integrität sein. Ein zeitaufwändiges und teures Re-Design sowie Verzögerungen bei der Markteinführung sind die Folge. Deshalb sollte dieser Aspekt bedacht und entsprechende Verifikationsmessungen mit höchster Sorgfalt durchgeführt werden.
