¿Por qué las sondas pasivas para osciloscopios tienen muchas opciones de conexión a tierra?

La mayoría de los osciloscopios incluyen un juego de sondas pasivas para aplicaciones de uso general. Estas sondas por lo general incluyen un kit de accesorios con varias opciones de conexión (Figura 1).

Figura 1: El típico kit de accesorios para sondas de osciloscopio pasivas de alta impedancia ofrece múltiples opciones de conexión. (Fuente de la imagen: Teledyne LeCroy)

Esta figura muestra la sonda pasiva de alta impedancia Teledyne LeCroy PP008-1 y los accesorios que incluye. La mayoría de los fabricantes incluyen dispositivos de conexión similares. Tal vez se pregunte por qué se incluyen tantos dispositivos para conectar la sonda a tierra. Esto es porque la conexión a tierra afecta en gran medida a las mediciones en alta frecuencia, así que los dispositivos que se incluyen con la sonda ayudan a garantizar la mejor conexión a tierra posible.

El modelo de circuito de una sonda X10 promedio de 500 megahertz (MHz) incluye elementos de resistencia, capacitancia e inducción (Figura 2).

Figura 2: El modelo de circuito de una sonda pasiva X10 de 500 MHz incluye la inductancia de la conexión a tierra, junto con la resistencia y la capacitancia. (Fuente de la imagen: Art Pini)

Desde el punto de la medición, la sonda luce como una resistencia de 10 megaohmios (MΩ) dispuesta en paralelo con un condensador de 9.5 picofaradios (pF). El lado de la masa incluye la inductancia de la serie del conductor a tierra. Para una conexión a tierra típica de 4.5 pulgadas (in) (11.4 centímetros (cm)), la inductancia llega a un valor de alrededor de 200 picohenrios (pH).

En frecuencias inferiores a aproximadamente 20 MHz, la inductancia de la conexión a tierra no surte mucho efecto. La resistencia de 10 MΩ puede ser tranquilamente ignorada, y el inductor (L) y el condensador (C) forman un circuito serie LC en resonancia a 115 MHz. El efecto de la inductancia es provocar picos en la respuesta de la sonda para que los componentes de alta frecuencia de cualquier señal se vean amplificados. Preferentemente, la conexión a tierra no debe ser utilizada en señales que tengan componentes con una frecuencia mayor a 20 MHz.

Así que, ¿cómo se conecta la sonda para utilizar el ancho de banda completo? La idea es utilizar un método de conexión que minimice la inductancia de la conexión. El resorte de conexión a tierra que se muestra en la parte superior de la Figura 1 es una buena solución. La punta de la sonda se conecta al punto de medición, mientras el resorte se conecta al punto de conexión a tierra más cercano del circuito. Solo asegúrese de insertar el resorte de manera tal que la porción en espiral esté completamente encogida gracias al anillo a tierra.

Al utilizar una cuchilla a tierra se consigue una inductancia ligeramente menor. El metal plano de la cuchilla ofrece menos inductancia que la sección transversal del alambre cilíndrico del resorte de conexión a tierra. Si se usa un plano de tierra estilo lámina adjunto a la toma de tierra del circuito es más fácil conectar la cuchilla a tierra a una buena toma de tierra (Figura 3).

Figura 3: La cuchilla a tierra se conecta a un plano de tierra estilo lámina de cobre soldado a los pines de tierra en la CI. (Fuente de la imagen: Teledyne LeCroy)

En este ejemplo, una sonda pasiva Teledyne LeCroy PP007-WR-1 utiliza una cuchilla para conectarse a tierra por medio de un plano de tierra de cobre soldado a los pines de tierra de la CI. La funda de la sonda CI guía a la punta al pin de punto de prueba CI, mientras que la extensión aislada se coloca entre los pines CI para conseguir la estabilidad.

La siguiente pregunta obvia es, ¿qué tienen de diferente cada una de estas conexiones a tierra al momento de las mediciones? Comparemos algunas de estas diferencias. La Figura 4 muestra cuatro medidas superpuestas de un pulso con un tiempo de transmisión de 750 picosegundos (ps), con un ancho de banda de señal de alrededor de 466 MHz. Cada medida utiliza una técnica de puesta a tierra diferente.

Figura 4: Comparación de la respuesta medida con un pulso estrecho con tiempos de transición por debajo de los nanosegundos. La línea roja se obtuvo mediante una conexión coaxial, y aquí funciona como señal de referencia. (Fuente de la imagen: Art Pini)

La línea roja es la señal obtenida mediante una conexión coaxial, y funciona como estándar de referencia. La línea azul se obtuvo por medio de una conexión a tierra estándar de 4.5 pulgadas (11.4 cm). Tenga en cuenta que la alta inductancia en serie del conductor produce una sobrecresta grande. La línea verde representa la respuesta generada al usar un resorte a tierra. Esta respuesta es definitivamente mejor que la de la conexión a tierra. La línea amarilla representa la respuesta de la cuchilla a tierra, y solo es apenas mejor que la del resorte a tierra.

Conclusión

Al utilizar sondas pasivas de alta impedancia para medir señales con componentes de frecuencia por encima de los 20 MHz, debe utilizar una conexión a tierra lo más corta posible. Es por ello que se incluye una gran variedad de opciones en el kit de accesorios para sondas.