Fehler an allen falschen Orten suchen

Frage: Am Ausgang meines Verstärkers sehe ich jede Menge „Ringing“ und Überschwinger. Ich habe die Richtlinien im Datenblatt befolgt und denke, das Layout ist in Ordnung. Was mache ich falsch ?
Antwort: Diese Art von Problemen kann einen frustrieren. Entwickeln ist eine Wissenschaft. Demnach sollte aus A und B als Ergebnis C resultieren. Wenn Sie schon länger Schaltungen entwickeln, wissen Sie, dass Entwickeln aber auch eine Kunst ist. Bob Pease hat einen Kollegen ein von ihm signiertes Exemplar seines Buches „Troubleshooting Analog Circuits“ geschickt. Hineingeschrieben hat er: „Mögen alle deine Probleme mittlere Größe haben, damit du sie findest.“ Es ist zu wünschen, diese Widmung möge stets wahr werden.

Obiger Ingenieur hat das Datenblatt gelesen, was immer ein guter Anfang ist. Oft geschieht dies nicht. Also tauchen wir in das Problem ein. Als erstes haben wir uns das Blockschaltbild angesehen. Wir haben die üblichen Verdächtigen betrachtet: Rauschverstärkung des Verstärkers, Bypass-Kondensatoren, Last und die Versorgungsspannungen. Warum gerade diese?

Die Rauschverstärkung bestimmt die Stabilität des Verstärkers. Falls die Phasenreserve (Phase Margin) gering ist, kann am Ausgang „Ringing“ und Überschwingen auftreten. Bypass-Kondensatoren halten Rauschen vom Verstärker fern und speichern Ladung genau an den Anschlüssen der Stromversorgung. Dies ist besonders wichtig, wenn der Verstärker eine feste Versorgung mit ausreichend viel Strom benötigt, weil sich sein Ausgang schnell ändert. Falls sich die Versorgungsspannung während des Spannungsanstiegs am Ausgang ändert, wird die Änderung mit Sicherheit ihren Weg zum Ausgang finden. Die Last kann Probleme verursachen, wenn die Kapazität oder die Induktivität zu groß oder der Lastwiderstand zu klein wird.

Die Leistungsfähigkeit von einigen Verstärkern sinkt, wenn Versorgungsspannungen zu groß oder zu klein werden. Sie sollten daher die Versorgungsspannungen mit den angegebenen Werten im Datenblatt vergleichen.

Falls dies alles gut aussieht, was ist dann zu tun? Weiter nach Fehlern suchen. Als nächstes haben wir uns das Layout vorgenommen.

Gibt es lange Leiterbahnen mit parasitärer Induktivität? Befinden sich Bypass-Kondensatoren weit entfernt von den Versorgungsanschlüssen und ermöglichen, dass parasitäre Induktivitäten mit den Kondensatoren eine sogenannte „Tank“-Schaltung bilden? Hat sich die Massefläche unter die Ein- und Ausgangspins geschlichen und parasitäre Kondensatoren gebildet, die Ringing und Überschwingen bewirken können? Auch diesbezüglich war das Layout in Ordnung.

Ok, was ist der nächste Schritt? Wie wurde getestet? War der Eingang sauber und einwandfrei abgeschlossen? Der Ingenieur sah ein geringes Ringing am Eingang, aber nicht viel. Wie wir alle wissen, gilt das Prinzip „Müll rein gleich Müll raus“. Aus diesem Grund haben wir versucht, den Eingang zu säubern. Der Abschluss war richtig. Wir haben Generatoren vertauscht, um zu sehen, ob hier die Ursache für Problem lag. Der neue Generator war etwas besser, doch der Eingang und der Ausgang zeigten noch immer Ringing.

Plötzlich keimte eine Idee. Ich fragte den Ingenieur, ob er ein Kabel oder eine Prüfspitze verwende, um das Signal zu prüfen. Er benutzte eine Oszilloskop-Prüfspitze. Also fragte ich, ob sie einen Masseclip hatte. Ja, und sie war etwa 8 cm lang. Ich vermutete an dieser Stelle das Problem. Also wies ich ihn an, die Ummantelung des Clips zu entfernen, das Plastikgehäuse, das die Prüfspitze umgab, aufzuschrauben und den Metallstift des Tastkopfes zu verwenden, um Masse in der Nähe des Signals abzugreifen. Als er dies tat, verschwand das Ringing. Voilà! Was ist hier passiert?

Der Masseclip wies eine Serieninduktivität auf, der Tastkopf eine Kapazität und die Leiterbahnen an der Tastkopf-Seite eine parasitäre Kapazität. Kapazität und Induktivität bildeten einen „Tank“-Schaltkreis, der oszillierte, wenn er durch schnell steigende Flanken des Schaltkreises Energie erhielt. Dies verursachte Ringing und Überschwingen am Eingang und Ausgang.

An dieser Stelle noch ein weiterer Tipp. Kalibrieren Sie stets den Oszilloskop-Tastkopf, bevor Sie Messungen machen. Dies kann helfen, auch das „Peaking“ zu reduzieren. Und schon ist ein weiterer Fall gelöst!

Fehlersuche oder „Troubleshooting“ ist eine methodische Vorgehensweise, um ein Problem zu finden. Doch es ist auch eine Art Kunst. Sucht man Fehler an allen falschen Stellen, wird man irgendwann die richtige Stelle finden!

Autor: Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices

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