Medindo o RDS(on) com osciloscópios de alta definição

Sua tarefa

Para calcular o R_DS(on) de um MOSFET operando no modo inverso, a corrente do dreno e a tensão do dreno para a fonte precisam ser medidas. No entanto, devido à alta tensão do dreno para a fonte no modo "desativado" e aos picos durante a comutação, é difícil medir uma tensão do dreno para a fonte relativamente pequena no modo "ativado" com a resolução típica de 8 bits dos osciloscópios padrão. Além disso, a má compensação da sonda e as técnicas incorretas de sondagem podem distorcer o sinal de forma significante, levando a resultados incorretos de medição mesmo quando o osciloscópio oferece a faixa dinâmica necessária.

Solução de teste e medição

Com o osciloscópio digital R&S^®RTO/R&S^®RTE, a opção de software R&S^®RTO-K17/R&S^®RTE-K17 e as técnicas corretas de sondagem, é possível medir a tensão do dreno para a fonte do RDS(on) sob condições de faixa dinâmica alta. Graças ao filtro passa-baixa, uma resolução vertical de até 16 bits é alcançada, reduzindo o ruído e aumentando a relação sinal-ruído. O usuário pode limitar a largura de banda (bandas selecionáveis) de 1 GHz a 10 kHz (de 10-bit para 16-bit). Isso possibilita visualizar pequenos detalhes de sinal, como a tensão do dreno para a fonte em aplicações com fonte de alimentação no modo chaveado que de outra forma desapareceriam no ruído.

Aplicação

Técnica correta de sondagem e compensação de sonda para medições precisas

Ao medir sinais com componentes de alta frequência, um aspecto fundamental na técnica de sondagem é manter o "loop" formado pelas conexões de sondagem (pino de sinal e conexão de aterramento) o mais curto possível. A ponta tensionada por mola da sonda passiva do R&S^®RT-ZP10 em conjunto com contatos de aterramento do tipo helicoidal fornece um contato seguro com o mínimo de ruído e acoplamento de interferência no sinal medido. Portanto, é possível fazer a medição direta dos pinos e estrutura do MOSFET. A compensação da sonda também é muito importante para as medições de alta resolução. Uma sonda mal compensada introduz erros de medição, resultando em uma leitura imprecisa, que também pode influenciar as medições diferenciais, conforme sugerido aqui. Para medições onde nenhum dos pinos do MOSFET possui aterramento, uma sonda diferencial ativa deve ser usada. A sonda diferencial ativa de 1 GHz do R&S^®RT-ZD10 1 GHz se mostra especialmente útil aqui, uma vez que vem com um atenuador 10:1 que estende o intervalo de tensão da sonda para 70 V CC/46 V CA (pico).

Analisando detalhes de sinais muito pequenos no modo de alta definição

A opção de alta definição do R&S^®RTO-K17/R&S^®RTE-K17 oferece aos usuários uma forma muito flexível de aumentar a resolução de um osciloscópio digital R&S^®RTO/R&S®RTE. A opção de software utiliza filtragem digital para aumentar a resolução do osciloscópio. Uma resolução máxima de 16 bit é possível, permitindo uma análise detalhada mesmo sob condições de faixa dinâmica extremamente alta. O modo de alta definição pode ser configurado rapidamente em apenas algumas etapas:

• Pressione o botão "Mode" (Modo)
• Na guia “Acquisition” (Aquisição), pressione “Option Mode” (Modo de opção) e selecione “High definition” (Alta Definição)
• Ajuste a largura de banda conforme necessário. A resolução resultante é mostrada automaticamente

A largura de banda selecionada deve ser tão baixa quanto necessário para obter resolução suficiente, porém o mais alto possível para minimizar a distorção de sinal devido à filtragem. A largura de banda de medição ideal deve ser determinada individualmente.

Evitando problemas de desvio ao calcular o RDS(on)

A medição em níveis diferentes de tensão requer etapas adicionais para obter o resultado correto. A precisão do desvio dos osciloscópios já não é mais suficiente para simplesmente dividir a tensão do dreno para a fonte no MOSFET pela corrente de drenagem para calcular o R_DS(on). E quando pontas de prova Rogowski são utilizadas para medir a corrente no pino de dreno do MOSFET, somente o componente CA da corrente de drenagem pode ser medido. Sendo assim, a medição de corrente resultante no osciloscópio terá um desvio CC.

Este problema é resolvido obtendo vantagem do fato de a corrente de dreno exibir um declive constante ou quase constante por um determinado intervalo de tempo enquanto o MOSFET está no estado "ativado". Isso sugere o uso de um método diferencial para calcular o R_DS(on) no modo de alta definição:

• Ajuste a escala vertical do osciloscópio de forma que a tensão máxima de dreno para a fonte, incluindo os picos, não excedam o intervalo de tensão de entrada do osciloscópio. Caso contrário, os efeitos de sobrecarga e saturação degradarão a precisão da medição da tensão do dreno para a fonte
• Use o modo de zoom para exibir a tensão do dreno para a fonte, de modo que o declive da tensão do dreno para a fonte fique claramente visível
• Ative o cálculo de média das formas de onda para se livrar de qualquer ruído ou interferência indesejada restante
• Meça o declive da tensão do dreno para a fonte para obter Δu_D
• Meça o declive da corrente de drenagem do MOSFET no mesmo intervalo de tempo do Δu_D para obter Δi_D
• Calcule o R_DS(on) dividindo Δu_D por Δi_D

A captura de tela ilustra a medição.

Resumo

A opção de alta definição R&S^®RTO-K17/R&S^®RTE-K17 possibilita a medição de detalhes de sinal que seriam perdidos no ruído dos osciloscópios tradicionais de 8 bits. É possível medir parâmetros como o R_DS(on) em aplicações com fonte de alimentação no modo chaveado onde o sinal medido exibe uma faixa dinâmica alta. É necessário tomar cuidado para usar as técnicas de sondagem corretas e a compensação de sonda precisa, uma vez que elas podem introduzir erros significantes no resultado da medição. É recomendado verificar o resultado de tais medições de dinâmica alta realizando a medição sob diversas condições para certificar-se de que a medição seja precisa.