Sonda de prueba

Las sondas de pinza son un par de sondas sencillas fijadas a un mecanismo de pinza , que se manejan con una mano, para medir voltajes u otros parámetros de circuitos electrónicos entre pines muy próximos entre sí.

Las sondas de resorte (también conocidas como " pines pogo ") son pines con resorte que se utilizan en dispositivos de prueba eléctricos para contactar puntos de prueba, terminales de componentes y otras características conductoras del DUT (Dispositivo Bajo Prueba). Estas sondas suelen encajarse a presión en los zócalos de las sondas, lo que facilita su reemplazo en dispositivos de prueba que pueden permanecer en servicio durante décadas, probando miles de DUT en equipos de prueba automáticos .

Para minimizar la carga, se utilizan sondas atenuadoras (por ejemplo, sondas 10×). Una sonda típica utiliza una  resistencia en serie de 9 megaohmios en paralelo con un condensador de bajo valor para formar un divisor RC compensado con la capacitancia del cable y la entrada del osciloscopio. Las constantes de tiempo RC se ajustan para que coincidan. Por ejemplo, la  resistencia en serie de 9 megaohmios está en paralelo con un  condensador de 12,2 pF para una constante de tiempo de 110 microsegundos. La capacitancia del cable de 90  pF en paralelo con la entrada del osciloscopio de 20  pF (capacitancia total de 110  pF) y 1  megaohmio también da una constante de tiempo de 110 microsegundos. En la práctica, habrá un ajuste para que el operador pueda igualar con precisión la constante de tiempo de baja frecuencia (llamado compensación de la sonda). Igualar las constantes de tiempo hace que la atenuación sea independiente de la frecuencia. A bajas frecuencias (donde la resistencia de R es mucho menor que la reactancia de C ), el circuito se parece a un divisor resistivo; A frecuencias más altas (resistencia mucho mayor que reactancia), el circuito se comporta como un divisor capacitivo. ^{[ 1 ]}

El resultado es una sonda con compensación de frecuencia para frecuencias moderadas que presenta una carga de aproximadamente 10  megaohmios en paralelo con 12  pF. Si bien esta sonda representa una mejora, no funciona cuando la escala de tiempo se reduce a varios tiempos de tránsito del cable (el tiempo de tránsito suele ser de 5  ns). En ese intervalo de tiempo, el cable se comporta como su impedancia característica, y se producen reflexiones debido al desajuste de la línea de transmisión entre la entrada del osciloscopio y la sonda, lo que provoca oscilaciones. ^{[ 2 ]} La sonda de osciloscopio moderna utiliza líneas de transmisión con pérdidas y baja capacitancia, así como sofisticadas redes de conformación de frecuencia para que la sonda 10× funcione correctamente a varios cientos de megahercios. En consecuencia, se requieren otros ajustes para completar la compensación. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Una sonda de prueba conectada directamente (denominada sonda 1×) introduce la capacitancia no deseada del cable en el circuito bajo prueba. Para un cable coaxial típico , la carga es del orden de 100 pF por metro (la longitud de un cable de prueba típico).

Las sondas atenuadoras minimizan la carga capacitiva con un atenuador, pero reducen la magnitud de la señal que llega al instrumento. Un atenuador 10× reduce la carga capacitiva en un factor de aproximadamente 10. El atenuador debe tener una relación precisa en todo el rango de frecuencias de interés; la impedancia de entrada del instrumento pasa a formar parte del atenuador. Un atenuador de CC con divisor resistivo se complementa con condensadores, de modo que la respuesta en frecuencia sea predecible en todo el rango de interés. ^{[ 6 ]}

El método de igualación de la constante de tiempo RC funciona siempre que el tiempo de tránsito del cable blindado sea mucho menor que la escala de tiempo de interés. Esto significa que el cable blindado puede considerarse como un capacitor concentrado en lugar de un inductor. El tiempo de tránsito en un cable de 1 metro es de aproximadamente 5  ns . Por consiguiente, estas sondas funcionarán hasta unos pocos megahercios, pero a partir de ahí, los efectos de la línea de transmisión causan problemas.

A altas frecuencias, la impedancia de la sonda será baja. ^{[ 7 ]}

El diseño más común inserta una resistencia de 9 megaohmios en serie con la punta de la sonda. La señal se transmite desde el cabezal de la sonda al osciloscopio a través de un cable coaxial especial con pérdidas, diseñado para minimizar la capacitancia y las oscilaciones . La invención de este cable se atribuye ^{[ 8 ]} a John Kobbe, un ingeniero que trabajaba para Tektronix . La resistencia sirve para minimizar la carga que la capacitancia del cable impondría al DUT. En serie con la impedancia de entrada normal de 1 megaohmio del osciloscopio, la  resistencia de 9 megaohmios crea un divisor de voltaje de 10×, por lo que estas sondas se conocen normalmente como sondas de baja capacitancia o sondas de 10× , a menudo impresas con la letra X o x en lugar del signo de multiplicación, y generalmente se las denomina "una sonda de diez veces" .

 Debido a que la entrada del osciloscopio presenta una capacitancia parásita en paralelo con la resistencia de 1 megaohmio,  es necesario derivar la resistencia de 9 megaohmios mediante un condensador para evitar que forme un filtro paso bajo RC severo con la capacitancia parásita del osciloscopio. La capacitancia de derivación debe ajustarse cuidadosamente a la capacitancia de entrada del osciloscopio para que los condensadores también formen un divisor de tensión de 10×. De esta forma, la sonda proporciona una atenuación uniforme de 10× desde CC (con la atenuación proporcionada por las resistencias) hasta frecuencias de CA muy altas (con la atenuación proporcionada por los condensadores).

En el pasado, el condensador de derivación en el cabezal de la sonda era ajustable (para lograr esta atenuación de 10×). Los diseños de sonda más modernos utilizan un circuito electrónico de película gruesa recortado con láser en el cabezal que combina la resistencia de 9 megaohmios con un condensador de derivación de valor fijo; luego colocan un pequeño condensador ajustable en paralelo con la capacitancia de entrada del osciloscopio. En cualquier caso, la sonda debe ajustarse para que proporcione una atenuación uniforme en todas las frecuencias. Esto se conoce como compensación de la sonda . La compensación generalmente se logra mediante la medición de una onda cuadrada de 1 kHz y el ajuste del condensador de compensación hasta que el osciloscopio muestre la forma de onda más cuadrada. La mayoría de los osciloscopios tienen una fuente de calibración de 1 kHz en sus paneles frontales, ya que la compensación de la sonda debe realizarse cada vez que se conecta una sonda 10:1 a la entrada de un osciloscopio. Las sondas más nuevas y rápidas tienen sistemas de compensación más complejos y ocasionalmente pueden requerir ajustes adicionales.  

También están disponibles sondas pasivas de 100×, así como algunos diseños especializados para su uso a voltajes muy altos (hasta 25  kV).

Las sondas pasivas suelen conectarse al osciloscopio mediante un conector BNC . La mayoría de las sondas 10× equivalen a una carga de aproximadamente 10-15  pF y 10  megaohmios en el dispositivo bajo prueba, mientras que las sondas 100× suelen presentar una  carga de 100 megaohmios y una capacitancia menor, por lo que cargan menos el circuito.

Las sondas Z ₀ son un tipo especializado de sonda pasiva de baja capacitancia utilizada en circuitos de muy alta frecuencia y baja impedancia . Su diseño es similar al de las sondas pasivas 10×, pero con niveles de impedancia mucho menores. Los cables de las sondas suelen tener una impedancia característica de 50 ohmios y se conectan a osciloscopios con una impedancia de entrada adaptada de 50 ohmios (en lugar de 1 megaohmio). Las sondas de osciloscopio de alta impedancia están diseñadas para el osciloscopio convencional de 1 megaohmio, pero esta impedancia de entrada solo se aplica a bajas frecuencias; no se mantiene constante en 1 megaohmio en todo el ancho de banda de la sonda, sino que disminuye con la frecuencia. Por ejemplo, la impedancia de entrada de una Tektronix P6139A comienza a disminuir por encima de 10  kHz y es de aproximadamente 100 ohmios a 100  MHz. ^{[ 9 ]} Se requiere una técnica de sonda diferente para señales de alta frecuencia.

Un osciloscopio de alta frecuencia presenta una carga adaptada (generalmente de 50 ohmios) en su entrada, lo que minimiza las reflexiones en el osciloscopio. La medición con una línea de transmisión adaptada de 50 ohmios ofrecería un rendimiento de alta frecuencia, pero sobrecargaría indebidamente la mayoría de los circuitos. Se puede utilizar un atenuador (divisor resistivo) para minimizar la carga. En la punta, estas sondas utilizan una resistencia en serie de 450 ohmios (para una atenuación de 10×) o de 950 ohmios (para una atenuación de 20×). ^{[ 10 ] [ 11 ]} Tektronix vende una sonda divisora ​​de 10× con un  ancho de banda de 9 GHz con una resistencia en serie de 450 ohmios. ^{[ 12 ]} Estas sondas también se denominan sondas divisoras resistivas, ya que una línea de transmisión de 50 ohmios presenta una carga puramente resistiva.

La denominación Z ₀ hace referencia a la impedancia característica del osciloscopio y el cable. Las impedancias adaptadas proporcionan un mejor rendimiento en altas frecuencias que el que puede lograr una sonda pasiva no adaptada, pero a costa de la baja carga de 500 ohmios que ofrece la punta de la sonda al dispositivo bajo prueba (DUT). La capacitancia parásita en la punta de la sonda es muy baja, por lo que, para señales de muy alta frecuencia, la sonda Z _{0 puede ofrecer una carga} menor que cualquier sonda de alta impedancia (hi-Z) e incluso que muchas sondas activas. ^{[ 13 ]}

En principio, este tipo de sonda puede utilizarse a cualquier frecuencia, pero en corriente continua y frecuencias bajas, los circuitos suelen tener impedancias elevadas que resultarían inaceptables para la baja impedancia de la sonda (500 o 1000 ohmios). Las impedancias parásitas limitan el funcionamiento de los circuitos de muy alta frecuencia a bajas impedancias, por lo que la impedancia de la sonda no representa un problema importante.

Las sondas activas para osciloscopio utilizan un amplificador de alta frecuencia y alta impedancia montado en el cabezal de la sonda y un cable apantallado. La función del amplificador no es la ganancia, sino el aislamiento (amortiguación) entre el circuito bajo prueba y el osciloscopio y el cable, cargando el circuito con una capacitancia baja y una alta resistencia de CC, y adaptando la impedancia a la entrada del osciloscopio. El circuito bajo prueba suele percibir las sondas activas como una capacitancia de 1 picofaradio o menos en paralelo con una resistencia de 1 megaohmio. Las sondas se conectan al osciloscopio con un cable cuya impedancia coincide con la impedancia característica de la entrada del osciloscopio. Antes del auge de la electrónica de estado sólido de alta frecuencia , se utilizaban sondas activas basadas en tubos, empleando un pequeño tubo de vacío como amplificador seguidor de cátodo .

Las sondas activas presentan varias desventajas que han impedido que reemplacen a las sondas pasivas en todas las aplicaciones:

• Son varias veces más caras que las sondas pasivas.
• Requieren alimentación eléctrica (pero esta suele ser suministrada por el osciloscopio).
• Su rango dinámico es limitado, a veces tan bajo como 3 a 5 voltios, y pueden dañarse por sobretensión, ya sea por la señal o por descarga electrostática .

Muchas sondas activas permiten al usuario introducir una tensión de compensación para medir tensiones con un nivel de CC excesivo. El rango dinámico total sigue siendo limitado, pero el usuario puede ajustar su punto central para medir tensiones en el rango de, por ejemplo, cero a cinco voltios, en lugar de -2,5 a +2,5.

Debido a su bajo voltaje nominal inherente, no es necesario proporcionar aislamiento de alto voltaje para la seguridad del operador. Esto permite que los cabezales de las sondas activas sean extremadamente pequeños, lo que las hace muy prácticas para su uso con circuitos electrónicos modernos de alta densidad.

En una nota de aplicación de Williams se analizan las sondas pasivas y un diseño modesto de sonda activa. ^{[ 14 ]}

La Tektronix P6201 es una  sonda FET activa de CC a 900 MHz de las primeras series. ^{[ 15 ]}

A frecuencias extremadamente altas, un osciloscopio digital moderno requiere que el usuario suelde un preamplificador al DUT para obtener  un rendimiento de 50 GS/s, 20 GHz. ^{[ 16 ]}

Las sondas diferenciales están optimizadas para la adquisición de señales diferenciales . Para maximizar la relación de rechazo en modo común (CMRR), las sondas diferenciales deben proporcionar dos trayectorias de señal lo más idénticas posible, con atenuación, respuesta en frecuencia y retardo temporal coincidentes.

En el pasado, esto se lograba diseñando sondas pasivas con dos rutas de señal, lo que requería una etapa de amplificación diferencial en el osciloscopio o cerca de él. (Algunas sondas antiguas incorporaban el amplificador diferencial en un cabezal bastante voluminoso mediante tubos de vacío). Con los avances en la electrónica de estado sólido, se ha vuelto práctico colocar el amplificador diferencial directamente dentro del cabezal de la sonda, lo que simplifica enormemente los requisitos para el resto de la ruta de señal (ya que ahora es de un solo extremo en lugar de diferencial y se elimina la necesidad de ajustar los parámetros en la ruta de señal). Una sonda diferencial moderna suele tener dos extensiones metálicas que el operador puede ajustar para que toquen simultáneamente los dos puntos adecuados en el dispositivo bajo prueba. De este modo, se consiguen relaciones de rechazo en modo común (CMRR) muy altas.

Todas las sondas de osciloscopio incluyen algún sistema para conectar a tierra la sonda a la tensión de referencia del circuito. Esto se suele conseguir conectando un cable de conexión muy corto desde el cabezal de la sonda a tierra. La inductancia del cable de tierra puede provocar distorsión en la señal observada, por lo que este cable se mantiene lo más corto posible. Algunas sondas utilizan una pequeña base de conexión a tierra en lugar de un cable, lo que permite que la conexión a tierra sea de tan solo 10  mm.

La mayoría de las sondas permiten instalar diferentes puntas. La punta puntiaguda es la más común, pero también se utilizan con frecuencia sondas de sujeción o "ganchos de prueba" con una punta curvada que se fija al punto de prueba. Las puntas con una pequeña base aislante de plástico con hendiduras facilitan la medición en circuitos integrados de paso muy fino ; estas hendiduras se ajustan al paso de los pines del circuito integrado, estabilizando la sonda frente a las vibraciones de la mano del usuario y, por lo tanto, ayudando a mantener el contacto con el pin deseado. Existen diferentes estilos de bases que se adaptan a distintos pasos de los pines del circuito integrado. También se pueden utilizar diferentes tipos de puntas para sondas de otros instrumentos.

Algunas sondas incluyen un botón pulsador. Al pulsarlo, se desconecta la señal (y se envía una señal de tierra al osciloscopio) o bien el osciloscopio identifica la traza de alguna otra manera. Esta función es muy útil cuando se utilizan varias sondas simultáneamente, ya que permite correlacionar sondas y trazas en la pantalla del osciloscopio.

Algunos diseños de sondas incorporan pines adicionales alrededor del conector BNC o utilizan un conector más complejo. Estas conexiones adicionales permiten que la sonda informe al osciloscopio sobre su factor de atenuación (10×, 100×, etc.). El osciloscopio puede entonces ajustar sus pantallas para tener en cuenta automáticamente la atenuación y otros factores causados ​​por la sonda. Estos pines adicionales también pueden utilizarse para alimentar sondas activas.

Algunas sondas ×10 tienen un interruptor "×1/×10". La posición "×1" omite el atenuador y la red de compensación, y se puede usar cuando se trabaja con señales muy débiles que estarían por debajo del límite de sensibilidad del osciloscopio si se atenuaran ×10.

Debido a su diseño estandarizado, las sondas pasivas (incluidas las sondas Z0 ₎ de cualquier fabricante suelen ser compatibles con cualquier osciloscopio (aunque algunas funciones especializadas, como el ajuste automático de la lectura, podrían no funcionar). Las sondas pasivas con divisores de voltaje podrían no ser compatibles con un osciloscopio específico. El condensador de compensación solo permite la compensación en un rango limitado de valores de capacitancia de entrada del osciloscopio. El rango de compensación de la sonda debe ser compatible con la capacitancia de entrada del osciloscopio.

Por otro lado, las sondas activas casi siempre son específicas del fabricante debido a sus requisitos de alimentación, controles de voltaje de compensación, etc. Los fabricantes de sondas a veces ofrecen amplificadores externos o adaptadores de corriente alterna que permiten utilizar sus sondas con cualquier osciloscopio.