Perché le sonde passive per oscilloscopi hanno così tante opzioni di collegamento a massa?

La maggior parte degli oscilloscopi ha in dotazione un set di sonde passive destinate ad applicazioni per uso generale. Queste sonde includono in genere un kit di accessori con una serie di opzioni di connessione (Figura 1).

Figura 1: Un tipico kit di accessori per una sonda passiva ad alta impedenza per oscilloscopio offre diverse opzioni di connessione. (Immagine per gentile concessione di Teledyne LeCroy)

Questa figura mostra il modello di sonda passiva ad alta impedenza PP008-1 di Teledyne LeCroy con gli accessori in dotazione. La maggior parte dei produttori include dispositivi di connessione simili. Ci si potrebbe chiedere il perché di così tanti dispositivi per collegare la sonda a massa. La risposta è che la connessione a massa incide moltissimo sulle misurazioni ad alta frequenza, quindi i dispositivi in dotazione con la sonda aiutano a garantire il migliore collegamento a massa possibile.

Il modello di circuito di una tipica sonda X10 da 500 MHz include resistenza, capacità elettrica ed elementi induttivi (Figura 2).

Figura 2: Il modello di circuito di una sonda X10 da 500 MHz include l'induttanza dei conduttori di massa, resistenza e capacità elettrica. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Dal punto di misurazione, la sonda appare come un resistore da 10 MΩ in parallelo con un condensatore da 9,5 pF. Il lato massa include l'induttanza in serie al collegamento a massa. Per un tipico conduttore di massa da 11,4 cm, l'induttanza è di circa 200 pH.

A frequenze inferiori a circa 20 MHz, l'induttanza del conduttore di massa non incide molto. Di fatto, la resistenza di 10 MΩ può essere ignorata e l'induttore (L) e il condensatore (C) formano un circuito LC in serie con risonanza a 115 MHz. L'induttanza causa un picco nella risposta della sonda, per cui le componenti ad alta frequenza di qualsiasi segnale vengono amplificate. Teoricamente il cavo di massa non dovrebbe essere usato per segnali con componenti di frequenza superiori a 20 MHz.

Come si fa quindi a collegare la sonda per usare l'intera larghezza di banda? Si deve usare un metodo di connessione che riduca al minimo l'induttanza dei conduttori. La molla di massa mostrata in alto nella Figura 1 è una buona soluzione. Il puntale si collega al punto di misurazione, mentre la molla di massa è collegata al punto di massa più vicino del circuito. Assicurarsi di inserire la molla in modo che la parte spiralata sia completamente in contatto con l'anello di massa della sonda.

Con la lamella di massa si ottiene un'induttanza leggermente inferiore. Il suo metallo piatto offre meno induttanza rispetto alla sezione del filo cilindrico della molla. L'uso di un piano di massa in lamina attaccato alla massa del circuito facilita il collegamento della lamella a una buona massa (Figura 3).

Figura 3: La lamella di massa si collega a un piano di massa in foglio di rame saldato ai pin di messa a terra del circuito integrato. (Immagine per gentile concessione di Teledyne LeCroy)

In questo esempio, una sonda passiva PP007-WR-1 di Teledyne LeCroy usa la lamella di massa per mettere a massa la sonda su un piano di massa in rame saldato ai pin di terra del circuito integrato. La copertura della sonda guida il puntale al pin del punto di prova del circuito, mentre l'estensione isolata si inserisce tra i pin del circuito e assicura stabilità.

L'altra domanda ovvia è: qual è l'incidenza di ciascuno di questi collegamenti a massa nella misurazione? Facciamo alcuni confronti. La Figura 4 mostra quattro misurazioni sovrapposte di un impulso con tempi di transizione di 750 ps (larghezza di banda del segnale di circa 466 MHz). Ogni misurazione utilizza una tecnica di messa a massa diversa.

Figura 4: Confronto della risposta misurata a un impulso stretto con tempi di transizione inferiori al nanosecondo. La traccia rossa è stata acquisita utilizzando una connessione coassiale e qui è il segnale di riferimento. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

La traccia rossa è il segnale acquisito utilizzando una connessione coassiale e funge da standard di riferimento. La traccia blu è stata acquisita utilizzando un cavo di massa standard di 11,4 cm. Tenere presente che l'alta induttanza in serie del cavo causa una grande sovraelongazione. La traccia verde è la risposta utilizzando una molla di massa. Questa risposta è certamente migliore di quella del cavo di massa. La traccia gialla è la risposta della lamella di massa ed è solo leggermente migliore della molla di massa.

Conclusione

Quando si usano sonde passive ad alta impedenza per misurare i segnali con componenti di frequenza superiore a 20 MHz, occorre usare il cavo di massa più corto possibile. Questa è la ragione per cui il kit di accessori della sonda include così tante opzioni.