Para minimizar la carga capacitiva en el dispositivo bajo prueba, la mayoría de las sondas usan un atenuador x10 (también llamado 10: 1). Esto a menudo se puede ajustar o compensar para mejorar la respuesta de frecuencia. En el siguiente blog explicamos dos de las técnicas para realizar ajustes a una sonda atenuadora planteando dos escenarios, uno de alta frecuencia y otro a baja frecuencia. Las instrucciones se pueden aplicar a cualquier sonda pasiva atenuadora.
Figura 1 – Sonda TA131 que muestra el trimmer LF
Hay dos tipos de compensación: baja frecuencia (LF) y alta frecuencia (HF). Algunas sondas solo tienen compensación de LF, mientras que otras tienen ambos tipos. Las sondas de osciloscopio PicoScope se compensan en HF en la fábrica y no requieren ajuste, pero si desea utilizar una sonda diferente con su osciloscopio PicoScope, es posible que deba ajustar su compensación de HF.
Figura 2: Sonda que muestra trimmers LF y HF
Compensación de baja frecuencia.
La compensación de baja frecuencia (LFC) implica ajustar la respuesta de frecuencia de la sonda x10 en el rango de kHz. La LFC debe realizarse antes de la compensación de alta frecuencia (HFC).
Figura 3: Modelo de sonda de osciloscopio
Como se muestra en la imagen anterior, este es un modelo de una sonda típica. Cp representa la capacidad parásita de la propia punta de la sonda. R1 es una resistencia de 9 MΩ en serie que se utiliza para aislar la capacitancia del cable y la entrada del osciloscopio del dispositivo bajo prueba. Rscope representa la impedancia de entrada de 1 MΩ de una sonda atenuadora.
Ccomp1 es un condensador variable y forma parte de la sintonización LFC de la sonda. Cp sirve para ajustar y hacer coincidir la constante de tiempo de R1 y Ccomp1 con la constante de tiempo establecida por Cscope, Ccable y Rscope. En efecto, tenemos un divisor resistivo en CC y un divisor capacitivo en altas frecuencias (por encima de unos pocos 100 kHz). Ccomp1 representa el trimmer en la parte superior de la sonda, cerca del interruptor de atenuación.
Ccomp2 y Rcomp representan la parte de compensación de alta frecuencia (HFC) de la sonda, que se analizará en la siguiente sección.
La forma más sencilla de compensar la parte LFC de una sonda es introducir una onda cuadrada con un borde suave pero, lo que es más importante, sin sobreimpulso.
Figura 4: Compensación de baja frecuencia
La Figura 4 muestra cómo debería verse la forma de onda cuando LFC es correcto. Con demasiado LFC, la ganancia de alta frecuencia (HF) de la sonda será mayor que su ganancia de baja frecuencia (LF). Con muy poco LFC, la ganancia de HF será menor que la ganancia de LF.
Compensación de alta frecuencia.
Dos variables afectan la respuesta de alta frecuencia de la sonda: la impedancia del cable y la impedancia de entrada del osciloscopio. La entrada del osciloscopio no suele ser una capacitancia perfecta, y también tiene cierta inductancia en serie y no linealidad.
Figura 5: Respuesta de los capacitores (condensadores) cerámicos
La Figura 5 muestra las características típicas de un condensador de chip cerámico utilizado en la entrada de un osciloscopio. Hay una caída en la impedancia antes de que comience a aumentar nuevamente con la frecuencia. Esto se debe a la inductancia en serie del condensador. El punto de impedancia mínima se llama frecuencia resonante y representa la frecuencia a la que las impedancias inductivas y capacitivas son iguales.
Este diagrama da una idea de cómo, a frecuencias muy altas (VHF), la entrada de un osciloscopio no es tan simple como una resistencia en paralelo con un condensador, y esto se complica aún más por las características no lineales de la PCB. La impedancia de entrada de los osciloscopios de alta frecuencia consta de una resistencia a tierra de 1 MΩ y varias capacitancias e inductancias parásitas. Cada uno de estos tiene sus propios componentes inductivos y capacitivos en serie y en paralelo, y estos a menudo tienen una característica no lineal en VHF, lo que complica aún más las cosas.
Para compensar la no linealidad, las sondas de HF tienden a derivar la entrada de un osciloscopio con un condensador muy pequeño y una resistencia en serie justo en el BNC. Esto sirve para mover cualquier no linealidad a una región de frecuencia más alta, fuera del rango previsto de la sonda, sin causar un sobreimpulso grave.
Rcomp y Ccomp2 representan los componentes de ajuste de HF de la sonda. Este circuito a menudo se encuentra en una placa de circuito impreso en una caja blindada justo en el conector BNC para minimizar los efectos del cable y la captación de ruido. Una sonda típica tiene dos redes RC, cada una con su propia resistencia ajustable. Uno controla las frecuencias de banda media y el otro las de banda alta. Ambos deben ajustarse hasta obtener la respuesta correcta.
Para sintonizar el HFC de una sonda, se debe ingresar una onda cuadrada con un borde muy rápido. La forma de onda debe tener un borde rápido (tiempo de subida 3 veces más corto que la sonda) con muy poco o ningún sobreimpulso. En PicoScope utilizamos un generador de señal con menos del 3% de sobreimpulso y un tiempo de subida muy rápido. También se debe considerar el VSWR de la impedancia de acoplamiento (impedancia de salida) del generador con valor de 50 Ω, ya que una impedancia de baja calidad puede causar un sobreimpulso adicional.
Al sintonizar una sonda, primero se debe observar la respuesta de pulso del osciloscopio para hacer coincidir la respuesta de la sonda con la de la entrada del osciloscopio conectada directamente. La Figura 6 muestra la respuesta de pulso de un osciloscopio PicoScope 3206B de 200 MHz sin una sonda conectada. El pulso de entrada tiene un tiempo de subida de 250 ps.
Nota: El rango de 200 mV (rango de 2 V en PicoScope con una sonda x10) debe usarse para ajustar las sondas ya que brinda la mejor respuesta de pulso.
El ligero sobreimpulso y el oscilamiento se producen aproximadamente a 1 GHz. Esto se debe principalmente a la inductancia parásita de las pistas de la PCB que conducen al primer amplificador, así como que el amplificador en sí mismo provoca una oscilación.
Figura 6: Respuesta de pulso de PicoScope 3206B sin sonda
La Figura 7 muestra cómo se verán las respuestas de pulso sobreamortiguada y subamortiguada. El objetivo es hacer que la respuesta sea lo más plana posible. Se debe tener en cuenta el tiempo de subida al sintonizar una sonda. Para el PicoScope 3206B con sonda TA131, el tiempo de subida es de aproximadamente 1,4 ns. En la Figura 7, el tiempo de subida de la sonda subamortiguada es del orden de 10 ns, lo que da un ancho de banda de 40 MHz. El tiempo de subida de la sonda sobreamortiguada es de aproximadamente 1,2 ns, pero la forma de onda está lejos de ser plana, lo que da una ganancia creciente en la región de 100 MHz a 300 MHz.
Figura 7: Respuestas de pulso sobreamortiguada y subamortiguada de la segunda sonda
La figura 8 muestra una sonda perfectamente amortiguada. Una inspección minuciosa muestra que el oscilamiento y el sobreimpulso se ven similares al generador de pulsos conectado directamente que vimos en la Figura 6. Es deseable una ligera joroba ya que le da a la combinación de sonda y alcance más ancho de banda que el alcance solo, sin dar mucho sobreimpulso.
Figura 8: Amortiguación perfecta
Si quieres conocer más sobre osciloscopios y otros productos de radiofrecuencia o registradores de datos, consulta nuestro artículo “Pico Techonology en la educación”.
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