Misurare la RDS(on) con oscilloscopi ad alta definizione

Attività da eseguire

Per calcolare la resistenza R_{DS (on)} di un MOSFET funzionante nella modalità di inversione, devono essere misurate la corrente di drain e la tensione drain-source. Tuttavia, a causa dell'alta tensione drain-source nello stato OFF e ai suoi picchi durante la commutazione, con la tipica risoluzione a 8 bit degli oscilloscopi standard è difficile misurare la tensione relativamente bassa di drain-source in stato ON. Inoltre, una scarsa compensazione della sonda e tecniche di misura non corrette possono distorcere significativamente il segnale, con conseguenti risultati di misura errati anche quando l'oscilloscopio offre la gamma dinamica necessaria.

Soluzione di misura e collaudo

Con l'oscilloscopio digitale R&S^®RTO/R&S^®RTE, l'opzione software R&S^®RTO-K17/R&S^®RTE-K17 e tecniche di misura corrette è possibile misurare la tensione drain-source per calcolare correttamente la RDS(on) in condizioni di gamma dinamica elevata. Grazie al filtraggio digitale passa basso viene ottenuta una risoluzione verticale fino a 16 bit, riducendo il rumore e incrementando il rapporto segnale-rumore. È possibile limitare la larghezza di banda (bande selezionabili) da 1 GHz a 10 kHz (da 10 bit a 16 bit). Ciò permette di rendere visibili i piccoli dettagli del segnale, quali la tensione drain-source nelle applicazioni di alimentazione a commutazione, che altrimenti andrebbero persi nel rumore.

Applicazione

Tecnica di misura corretta e compensazione delle sonde per misure accurate

Nel misurare segnali con componenti ad alta frequenza, un aspetto fondamentale nella sonda consiste nel mantenere il "loop" formato dalle connessioni delle sonde (pin di segnale e di terra) quanto più corto possibile. La punta a molla della sonda passiva R&S^®RT-ZP10, assieme ai contatti di terra a molla, garantiscono un contatto sicuro con un accoppiamento minimo del rumore e delle interferenze sul segnale misurato. È quindi possibile misurare direttamente il segnale sui pin del MOSFET e del substrato. Una compensazione della sonda accurata è, inoltre, molto importante per le misure ad alta risoluzione. Una sonda mal compensata genera errori di misura che si traducono in una lettura inesatta, la quale può anche influenzare misure differenziali come qui suggerito. Per misure in cui nessuno dei pin del MOSFET è a terra deve essere utilizzata una sonda differenziale attiva. La sonda differenziale attiva R&S^®RT-ZD10 da 1 GHz è particolarmente utile in questo contesto, poiché è dotata di un ulteriore attenuatore 10:1 che estende l'intervallo di tensione della sonda a 70 V CC/46 V CA (di picco).

Analizzare dettagli del segnale molto piccoli in modalità ad alta definizione

L'opzione ad alta definizione R&S^®RTO-K17/R&S^®RTE-K17 offre agli utenti un modo molto flessibile di aumentare la risoluzione di un oscilloscopio digitale R&S^®RTO/R&S®RTE. L'opzione software utilizza il filtraggio digitale per aumentare la risoluzione dell'oscilloscopio. È possibile ottenere una risoluzione massima di 16 bit, consentendo un'analisi dettagliata anche in condizioni di gamma dinamica estremamente elevata. La modalità ad alta definizione può essere rapidamente configurata in poche operazioni:

• Premere il pulsante “Mode”
• Sulla scheda “Acquisition”, premere “Option Mode” e selezionare “High definition”
• Regolare la larghezza di banda in base alla necessità. La risoluzione risultante viene mostrata automaticamente

La larghezza di banda selezionata deve essere abbastanza stretta per ottenere una risoluzione sufficiente, ma quanto più ampia possibile per minimizzare la distorsione del segnale dovuta al filtraggio. La larghezza di banda di misura ideale deve essere determinata caso per caso.

Evitare problemi di compensazione per il calcolo della RDS(on)

Misurare a livelli di tensione così differenti richiede ulteriori passaggi per ottenere il risultato corretto. L'accuratezza dell'offset degli oscilloscopi non è più sufficiente per dividere semplicemente la tensione drain-source del MOSFET per la corrente di drain e calcolare così la R_DS(on). E quando vengono utilizzate le sonde Rogowski per misurare la corrente che scorre attraverso il pin di drain del MOSFET, può essere misurata solo la componente in alternata della corrente di drain. La misura della corrente risultante sull'oscilloscopio avrà, quindi, un offset in continua.

Questo problema viene risolto sfruttando il fatto che la corrente di drain presenta una pendenza costante o quasi costante per un certo intervallo di tempo, mentre il MOSFET è nello stato ON. Questo suggerisce di usare un metodo differenziale per calcolare la R_DS(on) in modalità ad alta definizione:

• Regolare la scala verticale dell'oscilloscopio in modo tale che la massima tensione drain-source, inclusi i picchi, non superi l'intervallo della tensione d'ingresso dell'oscilloscopio. In caso contrario, gli effetti di sovraccarico e di saturazione degraderebbero la precisione della misura della tensione drain-source
• Utilizzare la modalità zoom per visualizzare la tensione drain-source in modo che la pendenza della tensione drain-source sia visibile chiaramente
• Abilitare il calcolo della media delle forme d'onda per eliminare ogni residuo di rumore indesiderato o interferenza
• Misurare la pendenza della tensione drain-source per ottenere la Δu_D
• Misurare la pendenza della corrente di drain del MOSFET nello stesso intervallo di tempo della Δu_D per ottenere la Δi_D
• Calcolare la R_DS(on) dividendo Δu_D per Δi_D

La schermata illustra la misura.

Riassunto

L'opzione ad alta definizione R&S^®RTO-K17/R&S^®RTE-K17 permette di misurare dettagli del segnale che andrebbero persi nel rumore dei tipici oscilloscopi a 8 bit. È possibile misurare parametri come la R_DS(on) in applicazioni di alimentazione a commutazione dove il segnale misurato presenta una gamma dinamica elevata. È necessario prestare attenzione a utilizzare tecniche di misura corrette e compensazioni della sonda accurate, in quanto entrambe possono generare errori significativi nel risultato della misura. Si raccomanda di verificare il risultato di tali misure ad elevata dinamica effettuando la misura in varie condizioni per accertarsi della sua accuratezza.