¿Qué es una sonda de riel activa y cómo se usa?

Los voltajes de bus de fuentes de alimentación para computadoras de alta velocidad y dispositivos portátiles están disminuyendo. Históricamente, los rieles de alimentación de 5 voltios funcionaban con una tolerancia de ±5 %, mientras que los procesadores de bajo voltaje actuales requieren tolerancias mucho más estrictas del orden de ±1 %. Como resultado, un bus de 1.1 voltios tiene una tolerancia de ±11 milivoltios (mV). Asegurar la integridad de estas redes de distribución de energía (PDN) requiere nuevas herramientas de medición.

Las PDN son comunes a cualquier dispositivo que necesite alimentación, ya que el ruido, la diafonía o los transitorios de cambio de carga en los rieles de alimentación se propagan por todo el sistema. Estas señales falsas pueden causar una serie de otros problemas, como la fluctuación de tiempo. Por lo tanto, es importante medir y evaluar no solo el voltaje de CC, sino también el ruido, la ondulación y la diafonía en un riel de alimentación.

Esto requiere observar las señales con un rango de milivoltios en rieles de alimentación con niveles de CC de 1 voltio o más. Ahí yace el problema. Un osciloscopio típico configurado en su rango de 5 mV solo puede realizar una compensación de ±300 mV. Esto significa que incluso un bus de alimentación de 1 voltio aparece fuera de la pantalla. Por supuesto, usar una sensibilidad vertical más alta, como 200 mV, aumenta el rango de compensación a ±3 voltios, pero el ruido y la ondulación, asumiendo que es menor que la tolerancia de voltaje de 11 mV, es casi invisible. Aquí es donde puede utilizar una sonda de riel de alimentación activa.

Las sondas de riel de alimentación, como el RP4030 de Teledyne LeCroy, atacan este problema de varias formas. Primero, ofrecen rangos de atenuación cercanos a 1:1 para no atenuar estas señales de objetivo ya pequeñas. A continuación, evitan la carga de energía al dividir la ruta de la señal en rutas de CC y CA, cada una con su propia impedancia de entrada (Figura 1).

Figura 1: Diagrama funcional simplificado de una sonda de riel de alimentación típica que muestra las rutas de CA y CC paralelas junto con sus diagramas de respuesta de frecuencia. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La ruta de CC ofrece una resistencia de CC de 50 kiloohmios (kΩ). La ruta de CA acopla capacitivamente la señal. La ruta de CC tiene una respuesta de frecuencia de paso bajo, mientras que la ruta de CA tiene una respuesta de frecuencia de paso alto. Las rutas se suman en la salida de la sonda y operan en la terminación de entrada de 50 Ω del osciloscopio, lo que produce una respuesta de frecuencia plana. El funcionamiento en la entrada del osciloscopio de 50 Ω ofrece la menor contribución de ruido y el mayor ancho de banda del osciloscopio. El ancho de banda de las sondas es de 4 gigahercios (GHz), lo que permite medir una amplia gama de señales falsas. Finalmente, las sondas de riel proporcionan un voltaje de compensación muy amplio y de alta precisión, típicamente en el rango de ±30 voltios.

Ejemplo de uso de una sonda activa

Veamos una medida típica, como se muestra en la Figura 2. Esta es una medida de desviación periódica y aleatoria (PARD) en un bus de 1.1 voltios. PARD es un término común en toda la industria que mide la desviación del voltaje de bus instantáneo de sus valores promedio. Las desviaciones pueden incluir señales periódicas, ruido aleatorio y diafonía. La PARD generalmente se mide como un valor de pico a pico.

En la Figura 2, el parámetro de medición de pico a pico lee los valores de PARD como 7.5 mV. Esto incluye componentes de picos periódicos, aleatorios y algunos estrechos. La PARD no incluye variaciones lentas en el voltaje de bus por debajo de 20 Hz, lo que se conoce como 'deriva'. La sonda de riel proporciona la compensación, que se muestra en la Figura como -1.1 voltios en el cuadro de anotación C1 (esquina inferior izquierda, cuadro amarillo). La sonda de riel utilizada en este ejemplo tiene un rango de compensación de ±30 voltios. Esto permite medir la señal usando la escala vertical de 2 mV por división (mv/div), que solo tiene un rango de ±300 mV sin la sonda.

Figura 2: Mediciones de PARD a una sensibilidad vertical de 2 mV por división. Muestra componentes aleatorios, periódicos y de diafonía con un valor de pico a pico de 7.5 mV en un riel de 1.1 voltios. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Las sondas de riel de alimentación también incluyen varios accesorios de interconexión para facilitar estas mediciones, como un navegador para sondeos manuales en placas de circuitos y un cable de soldadura. El cable de soldadura proporciona el ancho de banda más elevado, mientras que el navegador proporciona un menor ancho de banda.

Conclusión

Las mediciones de integridad de la alimentación se vuelven más difíciles a medida que disminuyen los voltajes de alimentación, pero como se muestra, las sondas de riel de alimentación activas pueden ayudar. Estas sondas eliminan la pérdida de rango dinámico que suele ocurrir cuando se tiene que medir un voltaje pequeño en un voltaje de CC mucho más elevado.