Càng làm việc với mạch tốc độ cao, driver điều khiển, tín hiệu clock hoặc các bài test logic số, ảnh hưởng từ nguồn càng lộ rõ. Một lượng nhiễu rất nhỏ xuất hiện trên đường cấp điện đôi lúc cũng đủ làm dạng sóng thay đổi đáng kể.
Đó là lý do các hệ thống đo kiểm hiện đại thường quan tâm khá kỹ tới độ sạch nguồn trước cả khi tối ưu tín hiệu đầu ra.
Tín hiệu xung nhạy với nhiễu nguồn hơn tưởng tượng khá nhiều
Tín hiệu xung thay đổi điện áp cực nhanh theo thời gian. Các cạnh lên xuống diễn ra liên tục ở tốc độ cao nên bất kỳ dao động nhỏ nào trên đường nguồn đều có khả năng chen trực tiếp vào dạng sóng.
Nếu nguồn xuất hiện ripple hoặc nhiễu cao tần, cạnh xung có thể bắt đầu mất độ sắc, xuất hiện rung mép hoặc lệch nhẹ về thời gian. Mức sai lệch đôi lúc rất khó nhận ra bằng mắt thường, nhưng khi đo ở thang thời gian nhỏ sẽ thấy khá rõ.
Ở các bài test cơ bản, hệ thống vẫn có thể hoạt động bình thường. Tuy nhiên với mạch truyền thông tốc độ cao, điều khiển vi xử lý hoặc kiểm tra IC số, độ sạch nguồn bắt đầu ảnh hưởng trực tiếp tới kết quả đo. Nhiều kỹ sư khi debug tín hiệu thường kiểm tra nguồn cấp đầu tiên chính vì lý do này.
Vì sao nguồn switching dễ tạo ảnh hưởng tới dạng sóng?
Nguồn switching hoạt động bằng cách đóng cắt transistor ở tần số cao để chuyển đổi điện áp. Cơ chế này giúp nguồn nhỏ gọn hơn, hiệu suất tốt hơn và ít tỏa nhiệt hơn so với nguồn tuyến tính.
Đổi lại, quá trình switching liên tục cũng tạo ra nhiễu điện từ và ripple trên đường nguồn. Nếu mạch lọc chưa đủ tốt hoặc tải biến thiên liên tục, phần nhiễu này sẽ lan sang các khối tín hiệu xung quanh.
Ở môi trường công nghiệp, hiện tượng này xuất hiện rõ hơn do hệ thống thường hoạt động cùng motor, biến tần hoặc tải cảm công suất lớn. Chỉ cần dây nguồn đi gần dây tín hiệu hoặc nối mass chưa hợp lý, dạng sóng đầu ra đã có thể xuất hiện gai nhiễu khá rõ.
Có những hệ thống vận hành ổn định suốt thời gian dài, nhưng khi zoom sâu tín hiệu trên oscilloscope mới bắt đầu thấy cạnh xung bị răng cưa hoặc rung nhẹ theo chu kỳ switching.
Tín hiệu xung thường bị ảnh hưởng theo kiểu nào?
Dễ gặp nhất là cạnh xung mất độ gọn. Mép xung xuất hiện rung nhẹ thay vì lên xuống dứt khoát như thiết kế ban đầu.
Tiếp theo là jitter, tức thời điểm xuất hiện xung bắt đầu dao động theo từng chu kỳ. Sai lệch đôi lúc rất nhỏ nhưng đủ làm hệ thống đồng bộ tín hiệu hoạt động thiếu ổn định. Một dạng khác là biên độ xung dao động không đều do nguồn phản hồi tải chưa đủ nhanh. Hiện tượng này xuất hiện khá rõ ở các mạch driving tải cảm hoặc các bài test PWM công suất.
Có trường hợp kỹ thuật viên thay cả máy phát xung nhưng kết quả gần như không đổi, cuối cùng nguyên nhân lại nằm ở bộ nguồn switching chất lượng thấp hoặc hệ thống tiếp địa chưa phù hợp.
Tần số càng cao, nhiễu càng dễ lộ ra
Ở dải tần thấp, nhiễu nguồn đôi lúc chưa tạo ảnh hưởng quá rõ. Nhưng khi tín hiệu bắt đầu lên MHz hoặc cạnh xung xuống mức nanosecond, mọi sai lệch nhỏ đều dễ dàng xuất hiện trên dạng sóng.
Nguyên nhân nằm ở tốc độ chuyển trạng thái quá nhanh. Cạnh xung càng dốc thì hệ thống càng nhạy với nhiễu cao tần từ nguồn switching.
Đó cũng là lý do nhiều bài test chạy ổn ở vài kHz nhưng bắt đầu phát sinh lỗi khi nâng tốc độ lên cao hơn.
Lúc này không chỉ nguồn cấp mà cả layout PCB, dây mass, chiều dài cáp và vị trí đi dây cũng ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng tín hiệu.
Máy phát xung hiện đại xử lý nhiễu nguồn thế nào?
Các dòng máy phát xung hiện nay thường được tối ưu khá mạnh về độ sạch tín hiệu đầu ra và khả năng chống nhiễu nguồn.
Ví dụ như SIGLENT SDG1032X sử dụng kiến trúc tạo sóng giúp giảm jitter và cải thiện độ ổn định dạng sóng ở dải tần cao. Những model dạng này thường có tầng lọc nguồn và chống nhiễu tốt hơn khá nhiều so với các thiết bị phổ thông.
Sự khác biệt thể hiện khá rõ ở các bài test clock, PWM, trigger hoặc mô phỏng tín hiệu số tốc độ cao. Khi soi trực tiếp trên máy hiện sóng, cạnh xung thường sạch và gọn hơn đáng kể.
Ngoài thiết bị phát xung, nhiều phòng lab còn dùng thêm nguồn DC ripple thấp hoặc bộ lọc riêng cho từng khối đo để hạn chế nhiễu switching lan giữa các hệ thống.
Nguồn switching vẫn là lựa chọn rất phổ biến hiện nay
Bản thân công nghệ switching không phải vấn đề. Nguồn switching hiện đại đã cải thiện khá mạnh về ripple, khả năng đáp ứng tải và chống nhiễu cao tần.
Điểm quan trọng nằm ở chất lượng thiết kế nguồn, cách bố trí hệ thống và môi trường vận hành thực tế.
Một bộ nguồn switching tốt hoàn toàn có thể đáp ứng rất ổn cho hệ thống phát xung và đo kiểm tín hiệu. Ngược lại, nguồn giá rẻ hoặc lọc nhiễu kém đôi lúc lại khiến cả hệ thống hoạt động thiếu ổn định dù thiết bị chính hoàn toàn bình thường.
Cũng vì vậy mà ở các hệ thống đo tín hiệu hiện nay, phần nguồn cấp thường được đầu tư khá kỹ thay vì xem như phần phụ trợ đơn giản phía sau.
