Che cos'è una sonda rail attiva e come si usa?

Le tensioni del bus di alimentazione per i computer ad alta velocità e i dispositivi portatili stanno diminuendo. Storicamente, ai rail di alimentazione a 5 V bastava una tolleranza del ±5%, mentre i processori a bassa tensione di oggi richiedono tolleranze molto più strette, nell'ordine del ±1%. Pertanto, un bus a 1,1 V ha una tolleranza di ±11 mV. Per garantire l'integrità di queste reti di distribuzione dell'energia elettrica (PDN) servono nuovi strumenti di misurazione.

Qualsiasi dispositivo che richiede un'alimentazione si avvale di PDN, perché il rumore, la diafonia o i transitori di cambio di carico sui rail di alimentazione si propagano in tutto il sistema. Questi segnali spuri possono causare una serie di altri problemi, fra cui il jitter di temporizzazione. Pertanto, è importante misurare e valutare non solo la tensione c.c., ma anche il rumore, il ripple e la diafonia su un rail di alimentazione.

Occorre quindi osservare i segnali con un intervallo di millivolt su rail di alimentazione con livelli c.c. di 1 V o superiori. E qui sta il problema. Un tipico oscilloscopio impostato sul suo intervallo di 5 mV può compensare solo un offset di ±300 mV. Questo significa che un bus di alimentazione di solo 1 V non compare sullo schermo. Ovviamente, se si utilizza una sensibilità verticale più alta, ad esempio di 200 mV, si aumenta l'intervallo di offset a ±3 V, ma il rumore e il ripple - supponendo che sia inferiore alla tolleranza di tensione di 11 mV - sono quasi invisibili. A questo punto conviene utilizzare una sonda rail di alimentazione di alimentazione attiva.

Sonde come RP4030 di Teledyne LeCroy affrontano il problema in vari modi. Come prima cosa, offrono intervalli di attenuazione vicini a 1:1, così da non attenuare questi segnali target già piccoli. Poi, impediscono il carico di potenza dividendo il percorso del segnale in percorsi c.c. e c.a., ognuno con la propria impedenza di ingresso (Figura 1).

Figura 1: Schema funzionale semplificato di una tipica sonda rail di alimentazione di alimentazione che mostra i percorsi paralleli c.a. e c.c. insieme ai loro grafici della risposta in frequenza. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il percorso c.c. offre una resistenza c.c. di 50 kΩ. Il percorso c.a. accoppia capacitivamente il segnale. Il percorso c.c. ha una risposta in frequenza passa-basso, mentre il percorso c.a. ha una risposta in frequenza passa-alto. I percorsi vengono sommati all'uscita della sonda e operano nella terminazione di ingresso da 50 Ω dell'oscilloscopio, producendo una risposta in frequenza piatta. Operando entro 50 Ω, l'ingresso offre il contributo di rumore più basso e la larghezza di banda più alta dall'oscilloscopio. La larghezza di banda delle sonde è di 4 GHz, che permette di misurare un'ampia gamma di segnali spuri. Infine, le sonde forniscono una tensione di offset molto ampia e di alta precisione, in genere nell'intervallo di ±30 V.

Esempio di utilizzo di una sonda attiva

Prendiamo una tipica misurazione, come quella mostrata nella Figura 2. Riguarda la misurazione della deviazione periodica e casuale (PARD) su un bus di 1,1 V. PARD è un termine di uso comune nel settore, che riguarda la misurazione della deviazione della tensione istantanea del bus rispetto alla sua media o ai suoi valori medi. Le deviazioni possono includere segnali periodici, rumore casuale e diafonia. Il valore PARD viene di solito misurato come valore picco-picco.

Nella Figura 2, il parametro di misurazione picco-picco legge i valori PARD come 7,5 mV. Questo include componenti periodiche, casuali e alcuni piccoli picchi transitori. PARD non include le variazioni lente della tensione del bus al di sotto di 20 Hz, che vengono dette deriva. La sonda fornisce l'offset, mostrato nella Figura come -1,1 V nella casella di annotazione C1 (angolo in basso a sinistra, casella gialla). La sonda rail di alimentazione usata in questo esempio ha un intervallo di offset di ±30 V. Questo permette di misurare il segnale usando la scala verticale di 2 mV per divisione, che ha solo un intervallo di ±300 mV senza la sonda.

Figura 2: Misurazioni PARD con una sensibilità verticale di 2 mV per divisione. Mostra le componenti random, periodiche e di diafonia con un valore picco-picco di 7,5 mV su un rail di 1,1 V. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Le sonde rail di alimentazione di alimentazione includono anche diversi accessori di interconnessione per facilitare queste misurazioni, come un browser per la tastatura manuale sui circuiti stampati e un cavo a saldare. Il cavo a saldare fornisce la massima larghezza di banda, mentre il browser fornisce quella inferiore.

Conclusione

Le misurazioni dell'integrità dell'alimentazione si fanno più difficili più scendono le tensioni di alimentazione ma, come mostrato, le sonde rail di alimentazione di alimentazione attive possono venire in soccorso. Queste sonde eliminano la perdita di gamma dinamica che di solito si verifica quando si deve misurare una tensione piccola su una tensione c.c. molto più alta.