Was sind Gleichtakt- und Gegentaktsignale und warum ist ein hohes CMRR für optisch isolierte Sonden wichtig?
Anhand der Prüfung von GaN-Halbbrückenschaltungen als praktisches Beispiel zeigen wir, wie Gleichtaktrauschen entsteht und wie optisch isolierte Sonden mit hohem CMRR, wie die auf der SigOFIT-Technologie basierenden, unerwünschtes Rauschen wirksam unterdrücken können. Durch die Reduzierung des Gleichtaktrauschens verbessern diese Sonden das Signal-Rausch-Verhältnis und die Messgenauigkeit bei Hochgeschwindigkeits- und Hochspannungsanwendungen erheblich.
Gleichtakt- und Gegentaktsignale
Optisch isolierte Tastköpfe bieten gegenüber herkömmlichen differenziellen Tastköpfen mehrere Vorteile, wobei die außergewöhnliche Gleichtaktunterdrückung einer der wichtigsten ist. Um zu verstehen, warum das wichtig ist, muss man zunächst klären, wie elektrische Signale klassifiziert werden.
In der Elektronik werden Signale im Allgemeinen in zwei Grundformen eingeteilt: Gleichtaktsignale und Gegentaktsignale. Diese Konzepte sind wichtig für die Analyse von Signalintegrität, elektromagnetischen Störungen und Messgenauigkeit - vor allem in der Hochgeschwindigkeits-Leistungselektronik.
Was ist ein Gleichtaktsignal?
Ein Gleichtaktsignal ist eine Spannungskomponente, die mit derselben Amplitude und Phase auf zwei Signalleitern in Bezug auf einen gemeinsamen Bezugspunkt, in der Regel die Erde, auftritt. Mit anderen Worten: Es stellt den Anteil eines Signals dar, der auf beiden Leitungen in Bezug auf den Bezugspunkt gleich ist.
Gleichtaktsignale enthalten in der Regel keine nützlichen Informationen und sind oft das Ergebnis von Rauschkopplungen, Schaltvorgängen oder externen elektromagnetischen Störungen.
Was ist ein Signal im Differenzialmodus?
Ein Signal im Differenzialmodus ist definiert als die Spannungsdifferenz zwischen zwei Signalleitungen. Diese Differenz stellt die eigentliche Information dar, die in der Schaltung übertragen wird.
In den meisten elektronischen Systemen ist die Differenzialkomponente das gewünschte Signal, während die Gleichtaktkomponente als Störung betrachtet wird, die das Messsystem idealerweise unterdrücken sollte.
Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) verstehen
Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) ist eine wichtige Angabe für Spannungstaster. Es beschreibt, wie effektiv ein Messtaster Differenzsignale verstärkt und Gleichtaktsignale unterdrückt.
In einem idealen Messsystem würde nur das Differenzsignal verstärkt werden und jede Gleichtaktspannung an den Eingängen hätte keine Auswirkungen auf den Ausgang. In der Praxis ist jedoch immer ein Teil des Gleichtaktsignals vorhanden. Ein höherer CMRR-Wert bedeutet eine stärkere Unterdrückung dieser unerwünschten Komponente und entspricht im Allgemeinen einer besseren Messleistung.
CMRR wird in Dezibel (dB) ausgedrückt und berechnet sich aus dem Verhältnis zwischen der Differenzverstärkung und der Gleichtaktverstärkung.
Wenn eine Sonde zum Beispiel das Differenzsignal mit einer Verstärkung von 1000 (30 dB) und das Gleichtaktsignal mit einer Verstärkung von 1 (0 dB) verstärkt, beträgt das CMRR 30 dB. Mit steigendem CMRR nimmt der Einfluss von Gleichtaktstörungen auf die gemessene Signalform ab, was zu einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis und genaueren Ergebnissen führt.
Analyse der Messung von GaN-Halbbrückenschaltungen
Betrachte die Messung der Gate-Source-Spannung (Vgs) des oberen Schalters in einer GaN-Halbbrückenschaltung. In diesem Szenario stellt das Vgs-Signal des oberen Bauteils das Differenzsignal dar, während die Drain-Source-Spannung (Vds) des unteren Bauteils als Gleichtaktspannungsquelle fungiert.
GaN-Halbbrückenschaltungen sind aufgrund ihrer extrem schnellen Schaltgeschwindigkeiten und hohen dv/dt-Eigenschaften besonders anfällig für Gleichtaktstörungen. Während der Schaltvorgänge werden große transiente Spannungen erzeugt. Diese schnellen Spannungsänderungen erzeugen hochfrequente Gleichtaktkomponenten, die in die Gate-Source-Schleife einkoppeln können.
Außerdem können starke elektromagnetische Felder, die während des Schaltvorgangs entstehen, Gleichtaktspannungen in nahe gelegenen Leitern induzieren. Die abgestrahlte elektromagnetische Energie kann genau im Moment des Schaltvorgangs in die Messschleife einkoppeln und das Gleichtaktrauschen weiter erhöhen.
Gleichtaktstörungen durch Messgeräte
In Umgebungen, in denen mit hoher Geschwindigkeit geschaltet wird, können sich lange Messleitungen wie Antennen verhalten, die elektromagnetische Energie aus der Umgebung aufnehmen und in Gleichtaktspannung umwandeln. Außerdem können die Eingangskapazität und der Widerstand einer Messsonde unbeabsichtigte Spannungsteilernetze mit der zu prüfenden Schaltung bilden und so Gleichtaktstörungen verstärken.
Herkömmliche Differenztastköpfe sind für diese Effekte besonders anfällig. Optisch isolierte Messtaster mit MMCX- oder MCX-Steckern haben dagegen extrem kurze Signalwege und eine sehr geringe Eingangskapazität, was die Störanfälligkeit deutlich verringert.
Die Auswirkungen von Gleichtaktstörungen können beträchtlich sein. Zum Beispiel in einer GaN-Schaltung mit einer Gleichtaktspannung von 500 V und einem dv/dt von 250 V/ns:
Bei einer CMRR von 60 dB treten am Ausgang etwa 500 mV Gleichtaktstörungen auf.
Bei einer CMRR von 80 dB wird die Störung auf etwa 50 mV reduziert.
Bei einer CMRR von 100 dB bleiben nur noch etwa 5 mV übrig, was normalerweise vernachlässigbar ist.
Das zeigt deutlich, dass ein höherer CMRR-Wert direkt zu einer verbesserten Messgenauigkeit führt.
Vorteile der optisch isolierten SigOFIT-Tastköpfe
Optisch isolierte SigOFIT-Tastköpfe erreichen CMRR-Werte von bis zu 180 dB und bieten dennoch über 100 dB CMRR bei einer Bandbreite von 1 GHz. Dank dieser Leistung können sie Schwingungen, die durch hochfrequentes Gleichtaktrauschen verursacht werden, fast vollständig eliminieren und saubere Wellenformen ohne unerwünschte Artefakte anzeigen.
Diese Eigenschaften machen diese Tastköpfe ideal für die Prüfung von Halbleitern der dritten Generation, einschließlich GaN- und SiC-Leistungsbauelementen. Außerdem kann eine Impedanzfehlanpassung in Hochgeschwindigkeitssignalwegen zu Reflexionen führen, die wiederum zu Gleichtaktstörungen beitragen. Durch die Verwendung eines 50 Ω-Impedanzdesigns minimieren die SigOFIT-Prüfköpfe Reflexionen und erhalten die Signalintegrität.
Fazit
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