Datasheet của một bộ nguồn DC tuyến tính tốt ghi độ gợn và nhiễu dưới 350 µVrms. Khi kỹ sư tự kiểm tra lại bằng máy hiện sóng với đầu dò 10:1 và dây mass dài, con số đọc được thường lớn hơn nhiều lần, và rất dễ kết luận oan rằng nguồn bị lỗi. Đo gợn và nhiễu PARD là một phép đo tín hiệu nhỏ, dải rộng, trong đó sai số của chính hệ đo có thể vượt xa đại lượng cần đo. Bài viết trình bày định nghĩa PARD, ý nghĩa của băng thông đo 20 MHz, khác biệt giữa giá trị rms và đỉnh-đỉnh, nhiễu chế độ thường và chế độ chung, cấu hình đo đúng và cách đọc datasheet Keysight.
PARD là gì và vì sao băng thông đo 20 MHz
Theo Agilent Application Note 90B “DC Power Supply Handbook”, PARD là viết tắt của Periodic And Random Deviation, thuật ngữ thay cho cách gọi cũ “ripple and noise”. PARD là phần xoay chiều dư còn nằm trên điện áp DC đầu ra khi mọi điều kiện khác được giữ không đổi. Tài liệu này quy định PARD được công bố bằng giá trị rms và/hoặc đỉnh-đỉnh trên dải 20 Hz tới 20 MHz; dao động chậm hơn 20 Hz được xếp vào độ trôi. Ghi chú ứng dụng “Power Supply Testing” 5952-4190EN hiện hành của Keysight dùng cùng dải tần.
Băng thông đo 20 MHz không phải một con số tuỳ tiện. AN 90B cảnh báo rằng đo PARD bằng thiết bị không đủ băng thông có thể che mất các xung nhọn tần số cao gây hại cho tải. Ngược lại, đo với băng thông rộng hơn nhiều so với 20 MHz sẽ thu thêm nhiễu của chính máy hiện sóng và nhiễu bức xạ, cho con số không so được với datasheet. Một số chuẩn khác dùng biên hơi khác: hướng dẫn thiết kế nguồn ATX12V của Intel (bản 1.1) định nghĩa gợn và nhiễu trên dải 10 Hz tới 20 MHz, đo bằng máy hiện sóng băng thông 20 MHz, với tụ 0,1 µF gốm và 10 µF điện phân đặt tại đầu nối.
Giá trị rms và đỉnh-đỉnh: hai con số, hai mục đích
Keysight giải thích rằng giá trị đỉnh-đỉnh cho biết các xung nhiễu biên độ lớn, thời gian ngắn, còn giá trị rms dùng để ước lượng tỉ số tín hiệu trên nhiễu. AN 90B lưu ý thêm một điểm dễ bị bỏ qua: các xung nhọn khá lớn nhưng rất ngắn có thể có mặt trong gợn sóng mà hầu như không làm tăng giá trị rms. Vì vậy một nguồn chỉ công bố rms chưa nói gì về xung đóng cắt.
Về quan hệ giữa hai con số, AN 90B cho biết với dạng gợn gần răng cưa điển hình của nguồn, rms bằng khoảng Vpp/3,464, giá trị rms không bao giờ vượt quá một nửa Vpp, và trên các nguồn Agilent rms thường bằng 1/3 tới 1/4 giá trị đỉnh-đỉnh. Bảng tham khảo trong ghi chú 5952-4190EN cho thấy khác biệt lớn giữa hai kiến trúc: nguồn chuyển mạch điển hình 5–20 mVrms và 20–150 mVpp, nguồn tuyến tính 0,25–5 mVrms và 1,0–15 mVpp.
Nhiễu chế độ thường và nhiễu chế độ chung
Datasheet nguồn Keysight tách hai loại nhiễu. Nhiễu chế độ thường là điện áp hoặc dòng nhiễu giữa cực dương và cực âm, tức cái mà tải thấy trực tiếp. Nhiễu chế độ chung là dòng nhiễu chạy từ một trong hai cực ra vỏ máy (đất); datasheet dòng E363xA giải thích rằng dòng chế độ chung thấp nghĩa là cách ly tốt khỏi dòng điện bơm vào từ lưới. Hướng dẫn thông số dòng N6700 ghi rõ phép đo nhiễu chế độ chung “từ 20 Hz tới 20 MHz, từ một trong hai cực ra vỏ máy”. Ví dụ, mô-đun N6751A/N6752A lắp trên khung N6705C có PARD 0,35 mVrms / 4,5 mVpp và nhiễu chế độ chung 500 µA rms / dưới 2 mA đỉnh-đỉnh.
Nhiễu chế độ chung quan trọng với mạch đo nhạy như cầu cảm biến hoặc bộ khuếch đại đo lường, nơi dòng rò ra đất tạo sụt áp trên đường mass chung. Không phải mọi datasheet đều công bố chỉ tiêu này; bảng thông số dòng E36300 chỉ liệt kê nhiễu chế độ thường.
Cấu hình đo gợn và nhiễu PARD đúng cách
Ghi chú 5952-4190EN nêu ba mối lo chính của hệ đo PARD: vòng lặp đất, che chắn và phối hợp trở kháng. Cấu hình Keysight mô tả gồm cáp đồng trục kết cuối 50 Ω ở cả hai đầu, tụ chặn DC mắc nối tiếp (hình minh hoạ dùng 0,01 µF), và máy đo có đầu vào thả nổi để phá vòng lặp đất. Tốc độ lấy mẫu phải gấp ít nhất năm lần tần số PARD cao nhất. Để đo rms, Keysight dùng vôn kế RF đo rms thực, không phải đồng hồ vạn năng thông thường.
Ghi chú “Making Your Best Power Integrity Measurements” 5992-0493EN bổ sung các bước thực hành với máy hiện sóng:
- Đo không tín hiệu trước. Đặt máy và đầu dò đúng như khi đo thật, ngắn mạch đầu vào và đo mức nhiễu nền. Với nhiều máy, đầu vào 50 Ω ít nhiễu hơn đầu vào 1 MΩ.
- Giới hạn băng thông. Trong phép đo không tín hiệu của Keysight với máy MSOS804A và đầu dò N7020A, nhiễu hệ thống giảm từ 1 040 µVpp / 110 µVrms ở 2 GHz xuống 460 µVpp / 60 µVrms khi giới hạn 20 MHz.
- Dùng đầu dò tỉ lệ thấp. Đầu dò 10:1 nhân nhiễu của máy hiện sóng lên; khi đo cùng một sóng sin 50 mVpp, Keysight đọc được 52 mVpp với đầu dò 1:1 và 65 mVpp với đầu dò 10:1.
- Cẩn thận với tụ chặn DC và tải 50 Ω. Tụ chặn loại luôn các thành phần tần số thấp như độ trôi. Nối thẳng đường nguồn vào đầu vào 50 Ω sẽ tải nguồn 20 mA/V; trong thử nghiệm của Keysight, đường 3,3 V tụt từ 3,31 V xuống 3,25 V.
AN 90B còn gợi ý hai phép kiểm tra nhanh. Với nguồn tuyến tính chỉnh lưu toàn sóng, gợn cơ bản ở 2 lần tần số lưới cho thấy cấu hình sạch, còn thành phần ở đúng tần số lưới thường là dấu hiệu vòng lặp đất hoặc nhiễu cảm ứng. Và khi chập hai đầu que đo tại chính cực nguồn, nếu gợn còn thấy được gần bằng số đọc thật, phép đo không đáng tin. Điều kiện thử cũng phải ghi rõ: tải nhỏ nhất và lớn nhất, điện áp lưới thấp nhất và cao nhất, và tải điện tử ở chế độ CR có PARD thấp hơn nguồn đang thử.
Một bẫy phổ biến là dùng đồng hồ vạn năng để đo rms. Chế độ ACV của 34465A là rms thực ghép AC nhưng chỉ phủ 3 Hz tới 300 kHz, và chỉ tiêu chỉ áp dụng trên 1 mVrms, cao hơn chính giới hạn 350 µVrms cần kiểm tra. Đồng hồ vạn năng vì thế chỉ dùng để kiểm tra gợn tần số thấp, không thay được phép đo dải 20 MHz. Với đường nguồn trên bo mạch thay vì đầu ra bộ nguồn, xem thêm bài đo toàn vẹn nguồn trên bo mạch bằng đầu dò power rail.
Đọc chỉ tiêu PARD trên datasheet Keysight
Ba điểm cần đọc kỹ: dải tần, loại chỉ tiêu (bảo đảm hay điển hình) và từng kênh.
- E36312A: gợn và nhiễu (20 Hz tới 20 MHz), điện áp chế độ thường dưới 350 µVrms / 2 mVpp cho cả ba đầu ra. Dòng chế độ thường nằm trong bảng đặc tính điển hình, không phải chỉ tiêu bảo đảm.
- E36233A: dưới 350 µVrms / 4,5 mVpp, nhưng datasheet 5992-3747EN ghi dải 20 Hz tới 10 MHz, còn tờ thông tin sản phẩm 5992-3773EN ghi Vpp trên 20 Hz–20 MHz và Vrms trên 20 Hz–10 MHz. Khi so sánh, phải đo đúng dải mà chỉ tiêu dùng.
- E36103B: 0,8 mVrms / 15 mVpp (20 Hz–20 MHz); EDU36311A: dưới 1 mVrms / 5 mVpp.
Chọn thiết bị Keysight để đo và để được đo
Máy hiện sóng Keysight MSOX3104G có băng thông 1 GHz, giới hạn băng thông phần cứng khoảng 20 MHz chọn được, trở kháng vào chọn 1 MΩ hoặc 50 Ω và độ nhạy tới 1 mV/div. Lưu ý 1 mV/div và 2 mV/div là phóng đại số của thang 4 mV/div, và dải bù ±2 V ở thang nhạy không đủ để đưa một đường 5 V, 12 V hay 25 V về giữa màn hình: cần tụ chặn DC, ghép AC ở đường 1 MΩ, hoặc đầu dò chuyên dụng.
Đầu dò đó là đầu dò đường nguồn Keysight N7020A: băng thông 2 GHz, tỉ lệ 1,1:1 (gần 1:1), dải bù ±24 V với dải tín hiệu ±850 mV quanh mức bù, trở kháng DC 50 kΩ nên không tải nguồn như đầu vào 50 Ω trực tiếp, và theo datasheet chỉ làm tăng khoảng 10 % nhiễu của máy hiện sóng.
Ở phía thiết bị được đo, bộ nguồn DC 3 ngõ ra Keysight E36312A và bộ nguồn DC Keysight E36233A là hai ví dụ về nguồn nhiễu thấp mà hệ đo phải có mức nhiễu nền thấp hơn mới kiểm tra được.
Kết luận
Đo gợn và nhiễu PARD đúng nghĩa là đo trên đúng dải 20 Hz–20 MHz (hoặc dải mà datasheet ghi), báo cáo cả rms lẫn đỉnh-đỉnh, và chứng minh được mức nhiễu nền của hệ đo thấp hơn giá trị cần kiểm tra. Cáp hoặc đầu dò đồng trục tỉ lệ thấp, giới hạn băng thông và phép đo không tín hiệu là bốn yếu tố quyết định.
Kết quả PARD chỉ có giá trị khi máy hiện sóng, đầu dò và nguồn được hiệu chuẩn. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn nguồn DC, máy hiện sóng và đầu dò theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo và lịch hiệu chuẩn.
