Tektronix P6247 Differential Probe

Bild 1 zeigt die Ausgangsspannung an dem Keramikkondensator des Ausgangs LC Tiefpaß des Abwärts Schaltreglers. Messung durchgeführt mit einem TDS5054 Oszilloskop und dem dazugehörigen 10:1 Tastkopf P5050. Diese Kombination hat eine Bandbreite von 500 MHz bereits an der Tastkopfspitze. Der Sägezahn ist der Strom durch die Speicherinduktivität gemessen mit einer Stromzange P6042. Beim Anlegen von Spannung an die Induktiviät (Turn on) als auch beim Ausschalten (Turn off) entsteht ein Schaltspike in der Ausgangsspannung. Der lila channel 3 zeigt hier ein hohes AC Signal von bis zu 90mV peak das den 1.2V überlagert ist. Merke Dir: diese Messung geschah mit einem hochwertigen Oszilloskop mit zugehörigem Orginal Tastkopf, der über die kleine Masseleitung mit der Krokoklemme angeschlossen war.

Figure 1 shows the voltage on the capacitor of the output LC lowpass. Measurement done with a TDS5054 Oscilloscope and the original P5050 10:1 probe. This combination has a bandwidth of 500 MHz at the probe tip. The triangle is the current in the storage inductor measured with a current probe P6042. During inductor turn on and turn off a high peak occurs in the ouput voltage. The purple channel 3 shows an AC voltage of  90mV peak riding on 1.2V DC. Note: this measurement were done with a modern fast high quality scope and the original probe, connected with the small ground-wire and the alligator clip.

Bild 2 zeigt die gleiche Messung wie in Bild 1. Einziger Unterschied ist die Verwendung eines anderen Masse Anschlußes des Tastkopfes. Siehe da plötzlich beträgt der AC peak nur noch 50mV anstatt 90mV wie in Bild 1. Der Tastkopf wurde nun nicht mehr mit der induktiven Kombination aus Anschlußleitung und Krokoklemme geerdert, sondern die Masseanschluß geschah direkt vorne an der Tastkopfspitze mit einer sehr kleinen weniger induktiven Feder. Die farbige "Temperatur-Darstellung" des Oszilloskop Display zeigt die Häufigkeit des Signals. Das Signal wurde über eine Zeitdauer von etwa 1 Sekunde kontinuierlich aufaddiert.

Figure 2 shows the same measurement as in Figure 1. Only different using another probe tip ground connection. The AC peak decreased from 90mV as in Figure 1 to 50mV. The probe tip is not grounded with the alligator crimp and the 2 inch long ground wire. Using only a small low inductive spring for grounding directly at the probe tip. The coloured "temperature-dispaly" of the scope indicates a histogram of the signal, stored continously in a time duration  of about 1 second.

Bild 3 zeigt die gleiche Messung wie in Bild 1. Unterschied diesmal ist die Verwendung des activen Differenztaskopfes P6247. Der AC peak beträgt nun nur noch etwa 20mV. Die Vertikalauflösung wurde erhöht. Man sieht hier ganz deutlich den Vorteil eines aktiven Tasktkopfes, nur noch 20mV anstatt 90mV wie in Bild 1. In Bild 1 jagdt man irgendwelchen Gespenstern nach, die gar nicht da sind. Der Differenztastkopf mit seinen sehr kurzen Anschlüßen und der niedrigen Eingangskapazität liefert hier ein Ergebnis deutlich näher an der Wirklichkeit. Der Einschwingvorgang des Spikes liegt bei etwa 150 MHz.

Figure 3 shows the same measurement as in Figure 1. Different the use of the active differential probe P6247. The AC peak decrease to 20mV compared to 90mV as in Figure 1. The vertical deflection factor setted to 10mV/DIV. In Figure 1 you are searching for ghosts which are not exists. The differential probe with short terminals and the low input capacitance leads to a nice result, more close to reality. This spikes covering an frequency range of about 150 MHz.

Bild 4 zeigt die Ausgangsspannung an dem Keramikkondensator des fertigen optimierten Ausgangs LC Tiefpaß des Abwärts Schaltreglers. Der Differenztastkopf zeigt so gut wie kein Spikes mehr an. Das meiste ist noch Restrauschen des Schaltreglers und des aktiven Tastkopfes selbst Man erinnere sich, das ist ein 2 MHz 1A Schaltregler! Mehr läßt sich hier an Filter und Layout nicht mehr optimieren. Mit einem normalen Tastkopf ist es deutlich schwieriger zu unterscheiden, was ist hier Wirklichkeit und was Gespenst.

Figure 4 shows the voltage on the ceramic capacitor of the optimized finished output LC lowpass of the switching regulator. The active probe shows almost no spikes at all. You see remaining noise from regulator's and the active probe itself. Keep in mind it's an 2MHz 1A switching regulator. Hard to filter out more noise than it is done here, neccesary on a good layout and optimized LC filter. With a standard probe it's more difficult to see the difference between "Ghosts" and "Reality".

Bild 5 demonstriert auch ganz deutlich, was mit einem Differenztastkopf noch alles gut dargestellt werden kann. Hier zeigt der Tastkopf wie übel der Spannungsabfall an einem einfachen Stück Leiterbahn sein kann. Die Leiterbahn reicht aus um derat hohe Spannungsspitzen abfallen zu lassen, nach u=L*di/dt. Mit dem Differenztastkof läßt sich prima die Schaltung und das Layout durchwandern. Das ist der Spannungsabfall auf lediglich etwa 2 Zenitmetern Leiterbahn. Das Layout und Überlegungen welcher Strom wo fließt ist bei schnellen Schaltreglern für eine optimale Funktion sehr wichtig.

Figure 5 shows another measurement with the differential probe. The voltage drop on a simple piece of wire with in the layout. The voltage drop caused by u=L*di/dt. With the differential probe it's more easy to see such effects. The voltage drop of about 1 inch copper wire.

Bild 6 zeigt hier die Messung der Spannung an einem 0805 SMD Ferriten. Der Ferrit ist Teil des LC Ausgangstiefpaß. Der Screenshot zeigt die Wirksamkeit eines kleinen SMD Ferriten im Hochfrequenzbereich. Das schöne am Differenztastkopf  ist, man kann einfach auf diesem High Potential messen, während ein anderer Kanal wie gewohnt gegen Ground mißt. Auch sehr wichtig, der aktive Probe hat nur etwa 1pF Eingangsimpedanz, d.h. er verschlechtert die parasitäten Kapazitäten des SMD Ferriten nur unwesentlich. Kaum auszumalen, was an dieser Stelle ein Standard Tastkopf mit seinen ca. 20pF an Unfug darstellen kann, er würde den Ferriten bei HF doch schon bald kurzschließen.

Figure 6 shows the measurement of the voltage on a 0805 SMD ferrite, part of the LC output lowpass. The screenshot show the efficiency of the ferrite. Measuring is easy with the active probe on the highside potential. Probe input capacitance only 1pF, the parasitic parallel capacitance of the SMD is not much increased by the probe, no so much than a standard probe with 20pF would do. Results with a standard probe are bad, the 20pF are a low ohmic path for the HF.