Bạn cần xem dạng sóng lái cực cổng của MOSFET phía cao trong một mạch cầu nửa. Que đo thường được kẹp vào chân cổng, kẹp mát nối xuống nguồn, và màn hình hiện ra một dạng sóng méo mó, dao động dữ dội, hoàn toàn không giống mô phỏng. Tệ hơn, có khi cầu chì của máy đứt. Nguyên nhân không phải mạch hỏng mà là phép đo sai bản chất: điểm cần đo không quy chiếu về đất, nên phải đo tín hiệu vi sai chứ không phải đo đơn cực.
Đo tín hiệu vi sai: phân tách chế độ vi sai và chế độ chung
Mọi phép đo giữa hai điểm bất kỳ đều có thể tách thành hai thành phần. Với hai điện áp nút V₁ và V₂ so với đất:
- Thành phần vi sai (differential mode): Vdm = V₁ − V₂ — đây là thứ bạn muốn đo.
- Thành phần chế độ chung (common mode): Vcm = (V₁ + V₂) / 2 — đây là thứ bạn muốn loại bỏ.
Trong mạch cầu nửa, điện áp cổng–nguồn của MOSFET phía cao có thể chỉ 12 V (thành phần vi sai), nhưng cả hai chân đều đang “nhảy” theo nút chuyển mạch với biên độ hàng trăm vôn ở tốc độ chuyển mạch (thành phần chế độ chung). Tỷ lệ giữa hai thành phần này có thể lên tới vài chục lần. Bài toán của đo tín hiệu vi sai vì thế là bài toán tách một tín hiệu nhỏ ra khỏi một nền lớn hơn nó nhiều lần.
Đầu ra thực tế của bất kỳ bộ khuếch đại vi sai nào cũng là tổng của hai đường: Vout = Adm·Vdm + Acm·Vcm. Số hạng thứ hai là sai số. Chỉ số mô tả mức độ nhỏ của nó chính là CMRR.
CMRR là gì và vì sao nó suy giảm theo tần số
CMRR — tỷ số nén chế độ chung — là tỷ lệ giữa độ lợi vi sai và độ lợi chế độ chung, thường biểu diễn bằng dB: CMRRdB = 20·log₁₀(Adm / Acm). Một CMRR 80 dB nghĩa là tín hiệu chế độ chung bị nén đi 10 000 lần trước khi lọt vào kết quả.
Điểm mà rất nhiều tài liệu tiếp thị bỏ qua: CMRR không phải một con số, mà là một đường cong theo tần số. Nó luôn tốt ở tần số thấp và xấu đi khi tần số tăng, vì việc cân bằng chính xác hai nhánh mạch chỉ khả thi khi các ký sinh chưa đáng kể. Tờ thông số dòng đầu dò vi sai cao áp của Keysight thể hiện rất rõ điều này:
| Đầu dò | Băng thông (−3 dB) | CMRR ở 50/60 Hz | CMRR ở tần số cao |
|---|---|---|---|
| N2790A | ≥ 100 MHz | −80 dB | −50 dB ở 1 MHz |
| N2791A | ≥ 25 MHz | −80 dB | −50 dB ở 1 kHz; −40 dB ở 1 MHz |
| N2891A | ≥ 70 MHz | −80 dB | −60 dB ở 20 kHz |
N2790A còn có thông số CMRR một chiều riêng: −70 dB ở 500 VDC. Nhìn hàng đầu tiên: từ 50/60 Hz lên 1 MHz, khả năng nén sụt 30 dB — tức là kém đi hơn 30 lần. Nếu bạn chọn đầu dò vi sai dựa trên con số 80 dB in đậm ở đầu tờ thông số mà thiết bị của bạn chuyển mạch ở megahertz, bạn đang dùng sai chỉ tiêu.
Một ví dụ số cho thấy mức độ nghiêm trọng
Giả sử cần đo một tín hiệu vi sai biên độ 500 mV, trên nền nhiễu chế độ chung biên độ 400 V dao động ở 1 MHz — hoàn toàn bình thường trong mạch điện tử công suất. Với đầu dò có CMRR −50 dB ở 1 MHz (tỷ lệ 316:1):
- Sai số do chế độ chung lọt vào: 400 V ÷ 316 ≈ 1,27 V.
- Tín hiệu cần đo chỉ 500 mV. Sai số lớn gấp khoảng 2,5 lần tín hiệu.
Phép đo này vô giá trị — dạng sóng bạn nhìn thấy chủ yếu là nhiễu chế độ chung. Nếu cùng biên độ 400 V đó xuất hiện ở 50 Hz, nơi CMRR đạt −80 dB (10 000:1), sai số chỉ còn 400 ÷ 10 000 = 40 mV, tương đương 8% tín hiệu — chấp nhận được cho nhiều mục đích. Cùng một đầu dò, cùng một biên độ chế độ chung, hai kết luận trái ngược, chỉ vì tần số khác nhau.
Ba cách đo và giới hạn của từng cách
Cách 1 — trừ hai kênh đơn cực bằng phép toán (A − B). Rẻ vì không cần mua gì thêm, nhưng CMRR bị chặn bởi độ khớp độ lợi giữa hai kênh. Nếu hai kênh lệch nhau ε phần trăm, CMRR đạt được xấp xỉ −20·log₁₀(ε). Sai lệch 1% cho khoảng 40 dB; sai lệch 0,5% cho khoảng 46 dB. Con số này thấp hơn hẳn một đầu dò vi sai thật, và còn chưa tính lệch thời gian giữa hai kênh — với tín hiệu chế độ chung có tốc độ biến thiên cao, một chênh lệch thời gian rất nhỏ cũng biến thành sai số vi sai đáng kể. Cách này chỉ nên dùng khi biên độ chế độ chung nhỏ và tần số thấp.
Cách 2 — đầu dò vi sai chủ động. Bộ khuếch đại vi sai nằm ngay tại đầu dò nên loại bỏ chế độ chung trước khi tín hiệu đi vào cáp. Đây là lựa chọn mặc định cho điện tử công suất. Cần đọc kỹ ba chỉ tiêu cùng lúc: CMRR tại tần số làm việc thật, điện áp chế độ chung cực đại cho phép, và trở kháng vào. N2790A cho phép điện áp chế độ chung tới ±1 000 V ở cấp CAT II và ±600 V ở cấp CAT III; điện áp vi sai cực đại ±1 400 V ở hệ số suy giảm 500:1 hoặc ±140 V ở 50:1.
Cách 3 — đầu dò cách ly quang. Khi biên độ chế độ chung vượt quá khả năng của đầu dò vi sai thông thường, hoặc khi cần CMRR cao ở dải tần rộng, phương án cách ly hoàn toàn về mặt điện là lối thoát. Chi phí cao hơn đáng kể nên chỉ dùng khi hai cách trên đã hết dư địa.
Những chỉ tiêu dễ bị bỏ sót
Ngoài CMRR, ba thông số sau thường quyết định chất lượng phép đo nhiều hơn người ta tưởng:
- Trở kháng vào. N2790A có 4 MΩ song song 7 pF trên mỗi ngõ vào so với đất, và 8 MΩ song song 3,5 pF giữa hai ngõ vào. Điện dung này tải trực tiếp lên mạch cần đo. Chủ đề tải dung kháng và băng thông hệ thống đã được phân tích riêng trong bài chọn đầu dò máy hiện sóng.
- Nhiễu quy về đầu vào. N2790A công bố dưới 300 mVrms ở hệ số 500:1 và dưới 50 mVrms ở hệ số 50:1. Nếu tín hiệu cần đo cùng cỡ với con số này, hãy chuyển sang hệ số suy giảm thấp hơn trước khi đổ lỗi cho mạch.
- Độ trễ lan truyền. N2790A có 14 ns ở 50:1 và 12,8 ns ở 500:1. Khi đo đồng thời với một đầu dò khác — chẳng hạn đo dòng và áp để tính tổn hao chuyển mạch — chênh lệch độ trễ giữa hai đường phải được bù, nếu không kết quả công suất sẽ sai hệ thống.
Chọn máy hiện sóng Keysight phù hợp
Đầu dò quyết định chất lượng nén chế độ chung, nhưng máy hiện sóng quyết định số kênh, độ phân giải dọc và bộ nhớ — ba thứ chi phối việc bạn nhìn được bao nhiêu trong một lần bắt.
Với điện tử công suất và hệ thống nhúng nhiều đường tín hiệu cần quan sát cùng lúc, Keysight MXR108B có 8 kênh tương tự băng thông 1 GHz, tốc độ lấy mẫu 16 GSa/s, bộ chuyển đổi 10 bit và 16 kênh số. Độ phân giải 10 bit đáng giá trong đo vi sai: khi tín hiệu hữu ích nhỏ so với dải động, mỗi bit thêm là một lần tăng gấp đôi khả năng phân giải chi tiết. Máy có 200 Mpts bộ nhớ tiêu chuẩn mỗi kênh và nâng được lên 1,6 Gpts.
Với nhu cầu phổ thông hơn — sửa chữa, giáo dục, kiểm tra chức năng — Keysight MSOX3104G thuộc dòng InfiniiVision băng thông 1 GHz là điểm cân bằng hợp lý giữa năng lực và chi phí.
Khi bài toán chuyển sang toàn vẹn tín hiệu tốc độ cao, yêu cầu đảo ngược: không còn là điện áp lớn mà là băng thông và sàn nhiễu. Keysight DSOV334A có băng thông 33 GHz trên 4 kênh tương tự, lấy mẫu 40 GSa/s (80 GSa/s khi dùng 2 kênh), bộ nhớ tới 2 Gpts, sàn nhiễu 2,09 mVrms ở thang 50 mV/div và sàn đo jitter 100 fs. Ở lớp thiết bị này, phép đo vi sai được thực hiện qua đầu dò vi sai băng thông rộng chuyên dụng chứ không phải đầu dò cao áp.
Kết luận
Quy tắc thực hành gọn nhất khi đo tín hiệu vi sai: ước lượng biên độ chế độ chung và tần số của nó trước, chia biên độ đó cho tỷ lệ CMRR tại đúng tần số ấy, rồi so kết quả với biên độ tín hiệu cần đo. Nếu sai số vượt quá vài phần trăm tín hiệu, bạn cần đầu dò tốt hơn — chứ không phải cần chỉnh lại thang đo.
Cũng cần nhớ rằng CMRR, độ lợi và độ trễ của đầu dò đều trôi theo thời gian và nhiệt độ. Độ chính xác độ lợi của N2790A được công bố ở ±2% trong khoảng 20–30 °C nhưng nới ra ±4% ở 0–20 °C và 30–50 °C — nhiệt độ phòng đo là một biến thật, không phải chi tiết phụ. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy hiện sóng cùng phụ kiện đầu dò. Để được tư vấn chọn cặp máy–đầu dò theo đúng biên độ và tần số của mạch bạn đang làm, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
