Medidas en Circuitos Digitales de Alta Velocidad

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Medidas en Circuitos Digitales de Alta Velocidad Autor: Pablo Vega Núñez Tutor: Joaquín Bernal Méndez Dep. Física aplicada III Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 201 5 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Medidas en Circuitos Digitales de Alta Velocidad Autor: Pablo Vega Núñez Tutor: Joaquín Bernal Méndez Profesor titular Dep. Física Aplicada III Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 Trabajo Fin de Grado: Medidas en Circuitos Digitales de Alta Velocidad Autor: Pablo Vega Núñez Tutor: Joaquín Bernal Méndez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2015 El Secretario del Tribunal A mi familia Índice general Lista de guras v Lista de tablas ix Resumen 1 1. Introducción 3 1.1. Motivación...................................... 3 1.2. Objetivosyalcance................................. 4 2. Generador de señal 5 2.1. Acondicionamiento de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2. Generacióndelpulso ................................ 7 3. Sondas de medida 9 3.1. Activas........................................ 9 3.2. Pasivas........................................ 10 3.2.1. AltaImpedancia .............................. 10 3.2.2. BajaImpedancia .............................. 11 3.3. Compensación de sondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.3.1. Pulso cuadrado de 1 kHz como señal adecuada para la compensación . 15 i ÍNDICE DE FIGURAS 8.5. A−B a 30 MHz, sonda diferencial construida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 8.6. A−B a 45 MHz, sonda diferencial construida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 8.7. A−B a 45 MHz, sonda diferencial construida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 viii Índice de tablas 4.1. Tabla comparativa. Efecto de la adición de impedancias resistivas. . . . . . . . 32 4.2. Tabla comparativa. Efecto de la adición de impedancias resistivas para sonda de baja impedancia. f=37 MHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.3. Tabla comparativa. Efecto de la adición de impedancias resistivas para sonda de baja impedancia. f=15 MHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.1. Tabla comparativa. Indicios de una impedancia variable en la sonda pasiva de altaimpedancia. .................................. 47 5.2. Tabla comparativa. Efectos de la adición de ferritas en una sonda pasiva de alta impedanciaa20MHz. ............................... 48 5.3. Tabla comparativa. Efectos de la adición de ferritas en una sonda pasiva de alta impedanciaa49MHz. ............................... 49 5.4. Tabla comparativa. Efectos de la adición de ferritas en una sonda pasiva de bajaimpedanciaa20MHz. ............................ 50 5.5. Tabla comparativa. Efecto de la adición de ferritas para diferentes frecuencias ysondas........................................ 50 5.6. Tabla comparativa.Camino de tierra no extendido y efectos de la adición de ferritas a 20 MHz para la sonda pasiva de alta impedancia. . . . . . . . . . . . 51 5.7. Tabla comparativa. Efecto de la longitud extra en el camino de retorno. . . . . 51 7.1. Tabla comparativa. Inuencia del montaje, en una medida diferencial con dos sondas pasivas de alta impedancia para 19 y 45 MHz. . . . . . . . . . . . . . . 62 ix Resumen Los circuitos electrónicos, desde los más cotidianos hasta los más innovadores, son cada vez más rápidos y pequeños. Esto hace que las posibles interacciones electromagnéticas se disparen y, con ello, los problemas derivados de las mismas. En función de las características físicas del circuito puede suceder, además, que el modelo que se esté considerando para su análisis deje de ser adecuado si se superan ciertas frecuencias de operación. Con estos elementos de partida, es frecuente encontrar comportamientos que pueden resultar contradictorios, a priori, si no se tienen en cuenta efectos que, a frecuencias sucientemente bajas, son de segundo orden. Este trabajo n de grado trata de poner de maniesto la importancia y la rigurosidad necesaria a la hora de tomar medidas en dichos circuitos. De esta forma, se podrán evitar errores en los valores obtenidos que, como se verá, no son para nada despreciables en muchos de los casos. Los capítulos que a partir de aquí se desarrollan son de contenido fundamentalmente práctico, y pretenden poner de maniesto las diferentes interacciones y efectos indeseados que pueden aparecer si no se presta la suciente atención a la hora de hacer mediciones. Se han seguido los experimentos y la metodología propuesta por Douglas C. Smith en su libro "High frequency measurements and noise in electronic circuits", los cuales se apoyan en simulaciones hechas con PSpice, cuando se precisa un análisis más detallado. 1 Capítulo 1 Introducción El desarrollo de la tecnología relacionada con los dispositivos electrónicos, ha impulsado un creciente interés por la miniaturización y el incremento en la velocidad de los mismos. Desde la invención del transistor en sustitución de los tubos de vacío, y con la llegada del circuito integrado se han satisfecho las exigencias del mercado en cuanto a tamaño y velocidad de los dispositivos sin detrimento de la potencia involucrada. En este contexto cobran una importancia creciente todos los aspectos relacionados con la compatibilidad electromagnética. La compatibilidad electromagnética se puede denir como la capacidad de que un equipo funcione de forma satisfactoria en su entorno electromagnético, sin introducir perturbaciones electromagnéticas intolerables para otros equipos en ese entorno [1]. Esta denición comprende el estudio de las causas y los mecanismos por los cuales se producen efectos de acoplamiento electromagnético entre un equipo eléctrico o electrónico y su entorno electromagnético, así como de las técnicas para eliminar, disminuir y prevenir los efectos indeseables de estos acoplos (interferencias o ruido). Existe una normativa sobre compatibilidad electromagnética, plasmada en diferentes directivas [2], que ha de ser tenida en cuenta a la hora de diseñar y comercializar un determinado equipo. Sin embargo, cuando se trata de tomar medidas en dispositivos de alta frecuencia, es frecuente pasar por alto algunos fenómenos que pueden inducir a graves errores. 1.1. Motivación Cuando se testea un circuito electrónico para comprobar su correcto funcionamiento y detectar posibles fallos es frecuente el uso de multímetros y osciloscopios. El comportamiento habitual es el de limitarse a conectar la sonda del aparato de medida en cuestión, a los nodos del circuito en los cuales se desea obtener una lectura de las magnitudes eléctricas de interés. La práctica, habitualmente extendida, no tiene mayores consecuencias siempre y cuando el circuito bajo estudio sea de baja frecuencia. Esto es debido a que los osciloscopios, y las 3 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN sondas de los mismos, están diseñados para no interferir con el circuito al ser, para la corriente que circula por los mismos, un camino de alta impedancia. Llegados a este punto, cabe decir que la consideración de una impedancia como alta o baja dependerá de la frecuencia de trabajo y, si bien un camino puede ser considerado de alta impedancia para una corriente de baja frecuencia, podría representar simultáneamente un cortocircuito para otras de frecuencias mayores. Por tanto, para determinar si una frecuencia o impedancia es alta o baja, siempre será de buena práctica atender a comparaciones y tener presente cómo el modelo del circuito puede variar a la par que lo hace la frecuencia. En resumen, y tal como veremos a lo largo de este trabajo, es posible que en circuitos de alta velocidad, y debido al alto contenido espectral de las señales involucradas (altas frecuencias), los instrumentos de medida terminen interaccionando de diferentes modos no esperados con el circuito que se trata de medir o caracterizar. Esto puede provocar importantes errores de medida y también puede afectar al comportamiento del propio circuito. En concreto, es posible que el circuito deje de funcionar correctamente o, por el contrario, que la propia medida enmascare un comportamiento defectuoso. 1.2. Objetivos y alcance Con este trabajo de n de grado se pretenden explicar e ilustrar experimentalmente las causas más frecuentes de errores en las medidas en circuitos digitales de alta velocidad. Se pretende poner de maniesto la rigurosidad y metodología necesarias a la hora de hacer medidas en este tipo de circuitos. Se guiará al lector a través de los capítulos mediante experimentos hechos en el laboratorio, acompañados de una explicación de qué está sucediendo y qué fenómeno es el responsable en cada caso. Esta explicación se apoyará con simulaciones en PSpice cuando corresponda. 4 Capítulo 2 Generador de señal Para ilustrar y vericar experimentalmente los efectos de alta frecuencia que aparecen en la medida de circuitos digitales de alta velocidad es imprescindible disponer de un circuito de prueba. En concreto, en este trabajo nos hemos planteado construir un generador de señal que suministre un tren de pulsos de frecuencia regulable que alcance una frecuencia sucientemente alta. Con este objetivo se construye, en primer lugar, un circuito oscilador capaz de generar señales cuadradas en el rango de 5 a 50 MHz. Será este generador el que sirva para poner de maniesto los resultados que se obtienen en los 4 experimentos llevados a cabo, para los cuales ha sido necesaria la construcción de diferentes sondas de medida que serán utilizadas con el osciloscopio de trabajo. En el laboratorio es habitual emplear generadores de señal. Si bien es frecuente encontrar estos generadores como parte del equipamiento disponible en los mismos, también es cierto que típicamente las frecuencias de oscilación se sitúan en las unidades de megahercios. La frecuencia de operación es aún menor, por lo general, si lo que se trata de generar es una onda cuadrada. Dado que para los experimentos que se pretenden hacer se precisa un pulso cuadrado de hasta 50 MHz, y ya que los generadores comerciales con esas especicaciones son demasiado caros en el contexto de un trabajo de n de grado, se decide construir uno. Siguiendo las indicaciones de Douglas C. Smith, cuyo libro ha servido de guía, se monta un generador de pulsos cuadrados capaz de oscilar en el intervalo de 5 a 50 MHz. El dispositivo está basado en un buer inversor octal (HC240). 5 CAPÍTULO 2. GENERADOR DE SEÑAL Figura 2.1: 74HC240 (vista superior) Como se puede ver en la Figura 2.1, un buer octal no es más que un encapsulado con 8 buers amplicadores en su interior. Cada uno de ellos funciona como un buer de voltaje de manera que, conectado entre dos terminales, el dispositivo transere un potencial con una alta impedancia de salida. Esto quiere decir que al conectarlo entre dos circuitos, el buer transere el voltaje en una sola dirección: desde el que genera el potencial a transferir; quedando este protegido del circuito al que transere el potencial. Idealmente, la impedancia de entrada del buer es innita y la de salida es cero. En el montaje propuesto, 4 de los 8 buers quedan inutilizados. De los 4 restantes que se usan, el circuito oscilador se basa en dos de ellos, mientras que los otros dos almacenan y sacan la señal por dos terminales BNC. En el circuito oscilador pueden diferenciarse dos partes: acondicionamiento de potencia y generación del pulso, que se detallan en las siguientes secciones. 2.1. Acondicionamiento de potencia Mediante 4 pilas tipo AA en serie se consiguen 6 V de corriente continua, que son posteriormente acondicionados para conseguir 5.2 V destinados a la alimentación del buer. El suministro de energía a través de baterías, además de hacer portable el generador, elimina cualquier ruido que pudiese provenir de la red eléctrica. Un LED (Diodo D2 en la Figura 2.2) indica de forma aproximada el estado de las baterías y cuándo está funcionando el circuito. Además, la señal es ltrada por 3 condensadores ( C6 , C7 y C8 ) antes de pasar a la parte de generación del pulso. 6 2.2. GENERACIÓN DEL PULSO Figura 2.2: Esquema eléctrico del generador.[3] 2.2. Generación del pulso Este subcircuito es el encargado de oscilar, generando así el pulso cuadrado deseado. Dispone de un banco de condensadores ( C1 - C5 ), que pueden ser seleccionados individualmente. Los condensadores conmutados se cargan a través de dos resistencias en serie ( R2 , R3 ), siendo R3 variable. Es el conjunto de condensadores y el valor de la resistencia seleccionados en cada instante, el que compone la constante de tiempo R·C que determina la frecuencia de oscilación al jar el tiempo de carga y descarga. Descritos los elementos que lo componen, el circuito al completo funciona de la siguiente forma: Los condensadores seleccionados se cargan a través de las resistencias R2 y R3 cuando la salida de B1 tiene un voltaje alto. Cuando se llega a un nivel de carga y el voltaje supera el umbral lógico a la entrada de B1 , la salida es conmutada hacia tierra, proporcionando el camino de descarga para los condensadores a través, de nuevo, de las resistencias R2 y R3 . El n de la descarga se producirá en el instante en el que el potencial en la entrada de B1 caiga por debajo del umbral lógico, volviendo a repetirse el ciclo anterior. La entrada de B1 está realimentada con la salida de B2 para proporcionar histéresis. De esta forma la frecuencia de oscilación baja, ya que los condensadores seleccionados se cargan hasta valores más altos y se descargan a voltajes más bajos. 7 CAPÍTULO 2. GENERADOR DE SEÑAL Figura 2.3: Generador construido 8 3.3. COMPENSACIÓN DE SONDAS resistencias frente a los condensadores en la ecuación 3.2, se obtiene un modelo simplicado: Vout Vgen =C1 C1+C2−→ Alta frecuencia (3.6) De un vistazo a 3.2, se deduce que la condición para que la atenuación de la sonda sea independiente de la frecuencia se reduce a imponer la condición: R1·C1=R2·C2 3.3.1. Pulso cuadrado de 1 kHz como señal adecuada para la compensación Además de la amplitud, la forma de la onda puede resultar distorsionada si la respuesta de la misma es dependiente de la frecuencia. En consecuencia, es posible que la sonda esté actuando como un ltro que atenúe los armónicos, o incluso la frecuencia fundamental de la señal original. Es precisamente esto lo que hace que una señal cuadrada de 1 kHz se considere adecuada para el ajuste de la sonda. En el supuesto de utilizar una señal de una frecuencia sucientemente elevada, por ejemplo 1 MHz, para compensar la sonda, puede suceder lo siguiente. La frecuencia de esa señal de prueba es tan alta, que una sonda mal compensada podría estar ltrando la frecuencia fundamental. El resultado en el osciloscopio sería una señal que ni si quiera tendría la forma de la onda generada, como está sucediendo en la Figura 3.6. Como consecuencia, sería muy complicado alcanzar una compensación de precisión, en una sonda pasiva de alta impedancia con un condensador variable como el de la Figura 3.4. Figura 3.6: Afectación de la forma del pulso por compensación errónea.[3] 15 CAPÍTULO 3. SONDAS DE MEDIDA Por la gráca de la respuesta en frecuencia de la sonda (Figura 3.7) se puede comprobar que al quedar 1 kHz dentro de la zona en la que el divisor de tensión no se ha visto afectado por el incremento de frecuencia, la frecuencia fundamental (1 KHz) no se ve afectada y la forma del pulso se conserva. Sin embargo, los armónicos sí serán inuenciados por el cambio de comportamiento de la sonda (el divisor de tensión cambia de 1 KHz en adelante) y el ajuste de la misma repercutirá en los ancos de subida y bajada del pulso, tal y como muestra la Figura 3.8. 101102103104105106107108 0 1 2 3 4 5 6 Frecuencia [Hz] Voltaje [V] Vgen Vosc Figura 3.7: Evolución del voltaje medido en terminales del generador (en rojo) y del osciloscopio (en azul), para diferentes valores del condensador de compensación. Equiparando el comportamiento de la sonda al del un ltro paso banda, el ajuste de la misma resultará en una ganancia mayor para unas u otras frecuencias. Así, una sonda subcompensada tiene una respuesta pobre para frecuencias de 1 kHz en adelante. El resultado es que los armónicos de la frecuencia fundamental tienen una ganancia pobre y la forma de la onda presenta una forma más redondeada y un carácter sobreamortiguado. El efecto contrario es la sobrecompensación, que viene caracterizada por un comportamiento subamortiguado en los ancos de subida y bajada. La razón, al contrario que en el primer caso, es una mayor ganancia para los armónicos superiores. 16 3.4. PUNTOS CLAVE Figura 3.8: Afectación de armónicos por compensación errónea.[3] 3.4. Puntos clave 4 Existen diferentes tipos de sondas para osciloscopio. En función de la frecuencia a la que se vaya a trabajar, el ancho de banda que se necesite y el presupuesto disponible, se optará por una u otra. 4 Tanto en el cuerpo de la sonda como en el osciloscopio hay capacidades parásitas. Habrá que tenerlas en cuenta en posteriores capítulos para evitar comportamientos no deseados. 4 Las sondas pasivas de alta impedancia hay que compensarlas, porque el comportamiento del circuito resistivo-capacitivo que incorporan es dependiente de la frecuencia. 4 Un pulso cuadrado de 1 kHz es una señal adecuada para compensar una sonda pasiva de alta impedancia, porque su frecuencia fundamental no se ve afectada por el cambio de comportamiento de la sonda al aumentar la frecuencia, sin embargo, sus armónicos sí. 4 No compensar una sonda puede resultar en que la señal que aparezca en el osciloscopio no tenga nada que ver con la que se ha generado. 4 Una sonda de baja impedancia es un dispositivo barato y sencillo de construir, cuyas cualidades se analizarán en próximos capítulos. 17 Capítulo 4 Experimento 1. Resonancia A lo largo del trabajo ha sido el efecto fundamental que ha dominado los comportamientos calicados como extraños del circuito. Puede aparecer por diferentes motivos, de forma que fenómenos que podrían ser atribuidos a causas distintas a priori, resultan tener una génesis común: la resonancia. Es de utilidad conocer los signos que puedan servir como pista de que puede haber resonancia en el dispositivo bajo estudio. Así, si aparecen fenómenos como la sobreoscilación o el rizado, cabría sospechar que hay elementos resonando; bien dentro del circuito o interactuando con el equipo de medida, que es precisamente lo que se quiere evitar. Figura 4.1: Sobreoscilación, rizado y tiempo de establecimiento. [5] En la Figura 4.1 pueden apreciarse los efectos que se acaban de comentar, siendo de utilidad tenerlos presentes e identicarlos para poder detectar un posible conicto de resonancia. Durante el presente capítulo, se harán diferentes montajes para poner de maniesto las condiciones bajo las cuales puede aparecer resonancia. En primer lugar se tratará de ver la 19 CAPÍTULO 4. EXPERIMENTO 1. RESONANCIA señal que produce el generador con la menor distorsión posible. Posteriormente, se probarán la sonda pasiva de alta impedancia, comúnmente usada, así como la sonda pasiva de baja impedancia que se describió en el anterior capítulo dedicado a sondas de medida. 4.1. Señal cuadrada, f=5 MHz Cable coaxial Conectando un cable coaxial desde la salida del generador hasta el osciloscopio se pretende ver la señal con la menor distorsión posible. El montaje se representa en la Figura 4.2. Figura 4.2: Montaje: conexión directa entre osciloscopio y generador. El resultado es un pulso prácticamente cuadrado (Figura 4.3), en el que se puede apreciar que hay tiempos de subida y establecimiento de algunos ns como cabría esperar de una señal real, a diferencia de un pulso ideal. También es posible observar un poco de sobreamortiguamiento y rizado en la onda, que podría ser atribuido a posibles resonancias internas del circuito debidas, por ejemplo, al rutado de los cables. 20 4.1. SEÑAL CUADRADA, F=5 MHZ Figura 4.3: Pulso cuadrado de 5 MHz. Conexión directa al osciloscopio. Sonda 10X de alta impedancia Con el objetivo de comparar la sonda con el cable coaxial, se repite la medición anterior con una sonda de alta impedancia y ratio de atenuación 10:1. Para evitar efectos relacionados con el camino de tierra, la conexión se hace sin el capuchón de la sonda; así, el conductor central de la toma coaxial del generador está en contacto con el de la sonda. Inclinando esta levemente, las tierras de ambos conectores entran en contacto, como se muestra en la Figura 4.4. 21 CAPÍTULO 4. EXPERIMENTO 1. RESONANCIA Figura 4.4: Sonda inclinada sin capuchón para evitar efectos relacionados con el camino de tierra. Siguiendo estos pasos, se consigue el esquema eléctrico de la Figura 4.5 y los resultados de la Figura 4.6. Figura 4.6: Pulso cuadrado de 5 MHz. Conexión mediante sonda de alta impedancia 10X sin capuchón. 22 4.1. SEÑAL CUADRADA, F=5 MHZ Figura 4.5: Montaje: sonda pasiva de alta impedancia sin capuchón, para suprimir la longitud del camino de tierra. 4.1.1. Efectos del camino de tierra Para poner de maniesto la importancia del retorno de la corriente por el camino de tierra de la sonda, se añade un trozo de cable de unos 30 cm al conector original, como puede verse en el esquema de la Figura 4.7. 23 CAPÍTULO 4. EXPERIMENTO 1. RESONANCIA Figura 4.7: Montaje: longitud del camino de tierra aumentado unos 30 cm. La onda generada es la misma que en el punto anterior, sin embargo y como puede verse en la Figura 4.8, aunque la forma del pulso se mantiene, el voltaje máximo no. De hecho, representa un incremento de un 30% respecto del caso anterior. Figura 4.8: Efecto sobre el pulso al extender 28 cm el camino de tierra, f=5 MHz. Aunque el pulso conserva su estructura, se está midiendo un voltaje que es 1.3 veces superior al real. Esto podría suponer costes añadidos en el hipotético diseño de un equipo electrónico para un problema que, realmente, ½no existe! . La causa de este tipo de comportamientos anómalos se aborda a continuación. 24 4.2. BUSCANDO RESONANCIAS Para la resistencia de 330 Ω el valor de voltaje máximo ya coincide, prácticamente, con el original. Figura 4.16: Resonancia de la sonda en el entorno de los 37 MHz con camino de tierra extendido. R=330 Ω . Adición de impedancias puramente resistivas, f=15 MHz Los fenómenos de sobredisparo y oscilación aparecen también para otros valores de frecuencia. Para demostrar que este efecto está asociado a una interacción de la sonda con el circuito de medida (resonancia) vamos a mostrar los resultados de añadir una impedancia resistiva a 15 MHz. En la Tabla 4.1 se comprueba que los resultados son bastante buenos, consiguiendo que además de medir con exactitud los voltajes originales, se obtengan formas de onda prácticamente idénticas a las generadas. 31 CAPÍTULO 4. EXPERIMENTO 1. RESONANCIA Forma de onda resultante Valor de R R = 0 Ω R = 100 Ω R = 330 Ω Tabla 4.1: Tabla comparativa. Efecto de la adición de impedancias resistivas. A 15 MHz, prácticamente la totalidad de la sobreoscilación causada por la longitud extra del camino de tierra, es corregida por la resistencia añadida. La cuestión que se trata de responder a continuación es: ¾por qué la adición de R mejora el comportamiento global? . 32 4.3. SONDA DE BAJA IMPEDANCIA 10X En la Figura 4.17, se muestra el montaje y las consecuencias de añadir una resistencia a la punta de la sonda. En efecto, el factor de calidad Q disminuye y, en consecuencia, la resonancia. Recordando los factores que inuían en el factor de calidad, se tiene que: RSZ0−→ High Q Dado que la R que se añade queda en serie con la RS del generador, la resistencia total aumenta y el efecto es el de disminuir la Q. Figura 4.17: Montaje y efecto de la adición de una impedancia resistiva. 4.3. Sonda de baja impedancia 10X Llegados a este punto se decide construir una sonda pasiva de baja impedancia, como la descrita en el Capítulo 3 (3.2.2). Tal y como se explicó, se puede conseguir un divisor 10:1 sin más que soldar a un extremo del cable coaxial una resistencia de 450 Ω . 33 CAPÍTULO 4. EXPERIMENTO 1. RESONANCIA Figura 4.18: Sonda de baja impedancia construida En los siguientes puntos se repetirán las mediciones con la sonda de baja impedancia de la Figura 4.18 para asi poder comparar los resultados con los obtenidos hasta el momento. Aunque haya sido denominada como sonda de baja impedancia, se comprobará que para las frecuencias de interés, la impedancia será mayor que la de la sonda de alta impedancia. 4.3.1. Señal cuadrada, f=5 MHz Simplemente conectando la sonda pasiva de baja impedancia de la Figura 4.18 a la salida del generador se obtienen los resultados de la Figura 4.19. Figura 4.19: Pulso cuadrado de 5 MHz generado. Conexión mediante sonda de baja impedancia 10X. 34 4.3. SONDA DE BAJA IMPEDANCIA 10X Efectos del camino de tierra En la Figura 4.8 se apreciaba una notable inuencia del camino de tierra sobre las características del pulso medido. Como hemos visto, este fenómeno estaba asociado a la aparición de resonancias entre el cable de tierra y la capacidad que introduce la sonda de alta impedancia. A continuación se muestran los resultados de repetir esa misma medida con una sonda de baja impedancia y un cable de tierra de la misma longitud. Figura 4.20: Efecto sobre el pulso al extender 28 cm el camino de tierra, f=5 MHz. El montaje que se ha hecho es el de la Figura 4.12 y a simple vista se puede ver que la adición de una longitud de cable en el camino de tierra, tiene un efecto nulo sobre la sonda pasiva de baja impedancia. Aunque, en vista de los resultados la solución obvia es utilizar un conector de tierra tan corto como sea posible, en muchas situaciones prácticas puede ocurrir que el nodo donde se desea medir y el de referencia accesible están lejos, por lo que hay que usar un cable de tierra largo. Recordando el mismo montaje para la sonda de alta impedancia, el voltaje máximo llegaba a los 6.48 V por las sobreoscilaciones, mientras que en este caso se queda en 4.72 V (un 5% por encima del caso sin el camino de tierra extendido). Como la impedancia de la sonda construida es prácticamente resistiva, no se producen resonancias. Sólo cuando la reactancia provocada por el camino de tierra crece lo suciente para ser comparable a la impedancia de entrada de la sonda, la longitud del camino de tierra empieza a ser signicativa. Esta frecuencia está en el entorno de los 600 MHz para el montaje que se acaba de ensayar. 35 CAPÍTULO 4. EXPERIMENTO 1. RESONANCIA 4.3.2. Respuesta de la sonda pasiva de baja impedancia, f=37 MHz Forma de onda resultante Valor de R R = 0 Ω R = 100 Ω R = 330 Ω Tabla 4.2: Tabla comparativa. Efecto de la adición de impedancias resistivas para sonda de baja impedancia. f=37 MHz. 36 4.3. SONDA DE BAJA IMPEDANCIA 10X 4.3.3. Respuesta de la sonda pasiva de baja impedancia, f=15 MHz Forma de onda resultante Valor de R R = 0 Ω R = 100 Ω R = 330 Ω Tabla 4.3: Tabla comparativa. Efecto de la adición de impedancias resistivas para sonda de baja impedancia. f=15 MHz. 37 CAPÍTULO 4. EXPERIMENTO 1. RESONANCIA Tal y como cabía esperar, la adición de impedancias puramente resistivas tiene un efecto nulo en la corrección de sobreoscilaciones y rizados. Esto es debido a que la naturaleza de la sonda ya es puramente resistiva; así, añadiendo más resistencias, lo único que conseguimos es cambiar el ratio de atenuación 10:1 original: Vout Vin =Rin Rin +Z0 (4.10) Rin =(450+100) Ω−→ Atenuación 12:1 Rin =(450+330) Ω−→ Atenuación 16.6:1 4.4. Puntos clave 4 La resonancia eléctrica aparece en circuitos en los que hay elementos reactivos (bobinas y condensadores). 4 El rizado, la sobreoscilación y el tiempo de establecimiento de una señal son parámetros que se ven afectados por la resonancia. 4 La señal producida por el generador no es un pulso ideal. La forma del pulso será menos ideal cuanto mayor sea la frecuencia a la que se genera. 4 Existen dos tipos de circuitos resonantes, unas condiciones bajo las cuales la resonancia es mayor y un factor (Q) que cuantica cómo de fuerte es la resonancia. 4 La longitud del conector de tierra que tienen las sondas pasivas de alta impedancia resuena con los elementos reactivos de la propia sonda y el osciloscopio. 4 La frecuencia a la cuál aparece la resonancia disminuye cuando aumenta la longitud del camino de tierra. 4 La intensidad de la resonancia viene controlada por las resistencias RS y RL . 4 La adición de impedancias puramente resistivas en sondas pasivas de alta impedancia disminuye el factor Q y, por tanto, la resonancia. 4 La sonda pasiva de baja impedancia no se ve tan afectada por la adición de impedancias puramente resistivas porque es de naturaleza resistiva. El único efecto que tienen sobre esta sonda es el de modicar el ratio de atenuación 10:1 original. 4 La sonda pasiva de baja impedancia exhibe una mayor impedancia que la sonda de alta impedancia para frecuencias sucientemente altas. 4 Aunque los resultados indican que la solución obvia es reducir la longitud del camino de tierra, hay situaciones prácticas en la que esto no es posible. 38 Capítulo 5 Experimento 2. Voltaje inducido por el camino de tierra Además del problema de la resonancia tratado en el capítulo anterior, existe otra fuente de errores cuando se trata de hacer mediciones en circuitos de alta frecuencia. El origen de esta reside en la diferencia de potencial que puede crearse entre la tierra a la que está conectada el dispositivo bajo estudio y la del propio osciloscopio. Con esta diferencia de potencial, puede suceder que cualquier tipo de ruido proveniente bien del dispositivo, o de una fuente externa al mismo, pueda viajar por el camino de tierra hacia el osciloscopio. La impedancia que presenta cualquier elemento depende, en general, de la frecuencia de las señales que circulan por él y, en el caso de un hilo conductor, la impedancia depende fuertemente de su longitud. La parte inductiva de la impedancia de un conductor es tanto mayor cuanto más alta sea la frecuencia de las señales que viajan por el mismo. En un equipo electrónico puede haber multitud de subsistemas puestos a tierra y, bajo las premisas anteriores, todas estas conexiones a tierra pueden estar a diferente potencial, de modo que la posibilidad de que se creen bucles de circulación de corriente entre ellas es muy elevada y se acentúa al incrementarse la frecuencia. [6] 39 CAPÍTULO 5. EXPERIMENTO 2. VOLTAJE INDUCIDO POR EL CAMINO DE TIERRA Figura 5.1: EMI viajando por el camino de tierra.[3] Tal y como se ve en la Figura 5.1, el ruido circula desde la tierra del dispositivo hasta el osciloscopio a través de la malla del cable coaxial de la sonda. Parte de la corriente es conducida y otra parte se radia hacia el exterior. 5.1. Caída de voltaje inductiva Como se describía en el párrafo anterior, la impedancia de un conductor consta de una parte resistiva y otra inductiva. Una corriente circulando por un cable, generará entonces una caída de voltaje debida a la resistencia y la reactancia del mismo. Figura 5.2: Contribución resistiva e inductiva a la impedancia total de un conductor.[3] 40 5.4. MONTAJE PARA EL EXPERIMENTO 5.4.1. Sonda de alta impedancia 10X Forma de onda resultante Frecuencia Vpp f=20 MHz Vpp = 2.08 V f=46 MHz Vpp = 4.88 V Tabla 5.1: Tabla comparativa. Indicios de una impedancia variable en la sonda pasiva de alta impedancia. Tal y como se ve en la Tabla 5.1, a ciertas frecuencias el voltaje aumenta drásticamente. La explicación reside en que la impedancia que ve la corriente al viajar por el conductor varía de forma tal, que para ciertas frecuencias, disminuye lo suciente como para que se maniesten incrementos de voltaje signicativos. Para solucionar estas variaciones de impedancia y los picos de voltaje e intensidad que suponen, a ciertas frecuencias, pueden usarse ferritas. Estos dispositivos aumentan la impedancia unos cientos de ohmios cuando se colocan, de forma tal que ese aumento es realmente signicativo en los casos en los que la impedancia ha caído hasta mínimos. Por contra, para las situaciones en las que no hay una disminución de impedancia previa, la adición de una ferrita es prácticamente imperceptible, como se pone de maniesto en las Tablas 5.3 y 5.2. 47 CAPÍTULO 5. EXPERIMENTO 2. VOLTAJE INDUCIDO POR EL CAMINO DE TIERRA Forma de onda resultante Ferrita Vpp Ferrita: 8 Vpp = 2.08 V Ferrita: 4 Vpp = 1.96 V Tabla 5.2: Tabla comparativa. Efectos de la adición de ferritas en una sonda pasiva de alta impedancia a 20 MHz. 48 5.4. MONTAJE PARA EL EXPERIMENTO Forma de onda resultante Ferrita Vpp Ferrita: 8 Vpp = 3.52 V Ferrita: 4 Vpp = 2.8 V Tabla 5.3: Tabla comparativa. Efectos de la adición de ferritas en una sonda pasiva de alta impedancia a 49 MHz. 5.4.2. Sonda pasiva de baja impedancia 10X La naturaleza resistiva de la sonda de baja impedancia construida limita la bajada de impedancia en el punto de resonancia; que es precisamente lo que está sucediendo en la sonda pasiva de alta impedancia anteriormente analizada. Así, el comportamiento que cabe esperar de la sonda de baja impedancia es más lineal y sin cambios bruscos en su impedancia, como muestra la Tabla 5.4. 49 CAPÍTULO 5. EXPERIMENTO 2. VOLTAJE INDUCIDO POR EL CAMINO DE TIERRA Forma de onda resultante Ferrita Vpp Ferrita: 8 Vpp = 1.24 V Ferrita: 4 Vpp = 1.18 V Tabla 5.4: Tabla comparativa. Efectos de la adición de ferritas en una sonda pasiva de baja impedancia a 20 MHz. f [MHz] Vpp [V] Vpp ferrita [V] Disminución [%] Sonda de alta impedancia 20 2.08 1.96 5.8 40 3.52 2.8 20.5 Tabla 5.5: Tabla comparativa. Efecto de la adición de ferritas para diferentes frecuencias y sondas. 5.4.3. Efectos de acortar el camino de retorno o camino de tierra Finalmente, si se repiten los montajes anteriores, pero sin extender el camino de tierra esta vez (se surpime la longitud extra de la Figura 5.7), se deduce de los resultados la importancia que la longitud extra conlleva. De la tabla 5.4.3, se observan incrementos de más del 40% en los picos creados por la impedancia variable del camino de retorno. 50 5.4. MONTAJE PARA EL EXPERIMENTO Forma de onda resultante Ferrita Vpp Ferrita: 8 Vpp = 1.46 V Ferrita: 4 Vpp = 1.12 V Tabla 5.6: Tabla comparativa.Camino de tierra no extendido y efectos de la adición de ferritas a 20 MHz para la sonda pasiva de alta impedancia. f [MHz] Vpp [V] Vpp ferrita [V] Disminución [%] Sonda de alta impedancia (I) 20 2.08 1.96 5.8 Sonda de alta impedancia sin camino de tierra extendido (II) 20 1.46 1.12 23.3 [ ( Vpp(II) - Vpp(I) ) / Vpp(II) ]x100 = 42.5% Tabla 5.7: Tabla comparativa. Efecto de la longitud extra en el camino de retorno. Aunque solamente se han ilustrado los resultados relacionados con la sonda de alta impedancia a 20 MHz, los experimentos realizados con la sonda de baja impedancia y a frecuencias diferentes arrojaron conclusiones similares. 51 CAPÍTULO 5. EXPERIMENTO 2. VOLTAJE INDUCIDO POR EL CAMINO DE TIERRA 5.5. Puntos clave 4 El conecpto de plano de tierra o masa no es válido cuando se trabaja a frecuencias sucientemente altas. Puede suceder que diferentes nodos conectados a una tierra común estén a diferente potencial. 4 La impedancia de cualquier elemento depende de la frecuencia de las señales que lo recorren. Para el caso de un hilo conductor, la impedancia depende fuertemente de su longitud. 4 Debido a las diferencias de potencial comentadas, puede suceder que haya corrientes circulando entre un dispositivo bajo estudio y el osciloscopio a través de tierra. 4 Para un conductor, la contribución del efecto skin a su resistencia es despreciable. Sin embargo, a partir de 1 KHz aproximadamente, la contribución de la reactancia inductiva es superior a la de la resistencia. 4 En un cable coaxial como el que se usa en sondas de medida, la mayor parte de la corriente circulando en la malla se induce sobre el conductor central a partir de una cierta frecuencia de corte, debido al acoplo magnético que existe entre ambos conductores. 4 Un camino de tierra extendido representará un camino de impedancia tanto mayor cuanto más grande sea la frecuencia. Sin embargo, a ciertas frecuencias puede suceder que es impedancia disminuya repentinamente por efecto de la resonancia, al comportarse el conductor como un inductor a una frecuencia sucientemente elevada. 4 El uso de ferritas puede aumentar la impedancia unos cientos de ohmios para contrarrestar un descenso brusco de la impedancia, siendo su efecto tanto más notable cuanto más haya descendido la impedancia previamente. 52 Capítulo 6 Medidas diferenciales El proceso de medición en un circuito eléctrico implica siempre dos nodos. Típicamente uno de ellos es tierra, mientras que el otro es aquel del que se desea conocer el potencial. El problema de esta técnica tiene su origen en el capítulo anterior: las tierras del DUT y el osciloscopio pueden estar a diferente potencial, ½a pesar de estar conectadas entre si! , con el consecuente error en la medida. En el montaje del experimento 2 se comprobó cómo al estar, por denición, las tierras del circuito bajo estudio y la del osciloscopio conectadas (en este caso mediante una longitud de cable), puede haber corrientes circulando entre ellas que originen una diferencia de potencial. Al realizar una medida diferencial no se trata de medir el voltaje respecto a un nodo de "tierra" común al circuito y al osciloscopio (que como hemos visto no existe a altas frecuencias) sino la diferencia de voltaje entre dos puntos del circuito. Cualquier nivel de voltaje común de los dos puntos de medida respecto a la tierra del osciloscopio circulará como una corriente de modo común a través de los dos terminales de la sonda diferencial. Si la sonda está bien construida, este "ruido en modo común" no afecta a la medida. En las actuales aplicaciones de alta velocidad y bajo voltaje, esta es una característica especialmente importante conforme las señales digitales siguen acercándose a los umbrales típicos de ruido que se encuentran en los circuitos integrados. [8] Una medida diferencial implica usar una sonda diferencial diseñada para tal n, o bien, usar dos sondas convencionales. 6.1. Uso de dos sondas pasivas de alta impedancia Empleando dos sondas pasivas de alta impedancia es posible hacer medidas diferenciales. La forma de proceder es usando los dos canales del osciloscopio y restando las señales provenientes de ambas sondas. Aunque es una solución sencilla y barata, hay que tener en cuenta que la técnica en cuestión no debería ser usada si la frecuencia de la señal sobrepasa las unidades de MHz. La deciencia de este montaje a frecuencias sucientemente altas reside fundamentalmente en las diferencias que puedan existir entre ambas sondas. En general, cual53 CAPÍTULO 6. MEDIDAS DIFERENCIALES quier asimetría producirá una conversión del ruido en modo común en señal diferencial, que será medida como ruido. El CMRR o Ratio de Rechazo al Modo Común en una medida diferencial se dene como: CMRR = 20 ·log10 VA+B pp VA−B pp (6.1) Siendo A y B dos canales del osciloscopio que se esté empleando en la medida diferencial. Los siguientes puntos son críticos y se han de tener en cuenta para hacer una medida diferencial satisfactoria, con un ratio de rechazo del ruido en modo común lo más favorable posible: I. Longitud de las sondas: la igualdad en la longitud de ambos dispositivos de medida ha de estar garantizada. Diferencias de longitud se traducen en retardos cuando las frecuencias son sucientemente elevadas. La consecuente falta de sincronización termina causando una medida insatisfactoria al llevar a cabo la diferencia de las señales: A-B, de aquí en adelante. II. Compensación: la importancia de una sonda bien balanceada ya se puso de maniesto en el primer experimento. A la hora de hacer una medida diferencial, la compensación es más crítica si cabe. En primer lugar, habrá que compensar ambas sondas por separado como se haría normalmente. La diferencia reside, sin embargo, en que una vez ajustadas independientemente será imperativo compensar una de ellas, de forma tal que se cumpla el experimento nulo , esto es, A−B≃0 . Los errores admisibles para el experimento nulo rondan el 10%. III. Conexión de tierra en las sondas: las tierras de ambas sondas siempre estarán interconectadas en un nodo. Si las tierras no están conectadas entre si, cualquier potencial que exista entre ellas se mostrará como parte de la señal medida, como se muestra en la Figura 6.1. Preferiblemente, el nodo de interconexión será otante aunque, si la señal en modo común satura el canal del osciloscopio, habrá de ser conectado a la tierra del DUT. 54 6.1. USO DE DOS SONDAS PASIVAS DE ALTA IMPEDANCIA Figura 6.1: III. Diferencias de potencial por tierra no común.[3] IV. Disposición del montaje: si ambas sondas no se colocan de igual forma pueden inducirse diferencias en las medidas que proporciona cada una. Por ejemplo, un lazo en el cable como el de la Figura 6.2 o su proximidad a una supercie metálica puede resultar en impedancias diferentes para sondas idénticas. Figura 6.2: IV. Cable de la sonda dispuesto de forma errónea.[3] V. Bucles de corriente: aun cuando se tiene un nodo de tierra otante, como en la Figura 6.3, existe el riesgo de una caída de potencial en dichas conexiones a tierra. El origen de dichas caídas está en el bucle que se crea entre el cable de masa de las sondas, el chásis del osciloscopio y los cables de conexión a tierra. A frecuencias sucientemente altas, este bucle puede ser recorrido por corrientes, con la consecuente caída de tensión. La solución al problema es sencilla: uniendo los cables de ambas sondas cada cierta distancia, el bucle se elimina. 55 CAPÍTULO 6. MEDIDAS DIFERENCIALES Figura 6.3: V. Las corrientes que circulan por el bucle pueden originar caídas de tensión, incluso con un nodo de tierra otante.[3] El uso de dos sondas de alta impedancia como instrumento para tomar medidas diferenciales tiene sus limitaciones. Y es que, como se ha visto, incluso cuando el nodo de tierra es otante (situación deseada siempre que sea posible) existen caídas de potencial que alteran la medida. Todo ello hace que el ratio de rechazo al modo común de esta técnica de medida, raramente sea mayor a 10 dB para frecuencias en el entorno de los MHz. Las limitaciones del uso simultáneo de dos sondas hace nesario buscar otra técnica de medida, la cual se detalla en la próxima sección. 6.2. Construcción de una sonda diferencial Para suplir las carencias de una medida diferencial con dos sondas, se propone la construcción de una sonda coaxial balanceada , esto es, una sonda diferencial compuesta por dos cables coaxiales. Este dispositivo de medida tiene un buen comportamiento en un intervalo de frecuencias más amplio que el descrito en la sección anterior, rechazando ecientemente las corrientes en modo común hasta los cientos de MHz. La construcción es sencilla, tal y como se ve en las Figuras 6.4 y 6.5, a partir de dos cables coaxiales sin el recrubrimiento exterior. Ambos conductores se unen y sueldan cada cierta distancia, lo que elimina la presencia de lazos de corriente. Además, sendas resistencias de 450 Ω son soldadas a los extremos de cada conductor central para conseguir un ratio de atenuación 10:1. Recuérdese que el ratio de atenuación 10:1 proviene de un divisor de tensión resistivo creado 56 7.4. PUNTOS CLAVE Figura 7.6: A+B a 45 MHz. En base a las Figuras 7.5 y 7.6 se establece la siguiente relación: CMRR = 20 ·log10 VA+B pp VA−B pp = 20 ·log10 1.3 0.2= 16.3dB (7.1) De la cual se deduce un ratio de rechado al modo común de 16.3 dB . En el siguiente capítulo, se llevarán a cabo las mismas medidas pero sustituyendo la pareja de sondas de alta impedancia por una sonda diferencial que se ha construido como se explicó en el capítulo anterior. 7.4. Puntos clave 4 Al hacer una medida diferencial con dos sondas pasivas de alta impedancia se comprueba experimentalmente que la medida originada por cada sonda es diferente. 4 El montaje es extremadamente sensible a la disposición de los cables de ambas sondas, reduciéndose los errores de medida más de un 50% cuando los cables se disponen de forma correcta. 4 La inuencia del montaje en los errores es tanto mayor cuanto más alta es la frecuencia a la que se hacen los experimentos. 63 Capítulo 8 Experimento 4. Medida diferencial: sonda diferencial. En este último experimento se llevan a cabo medidas similares a las que se practicaron en el capítulo anterior, cuando se emplearon sendas sondas pasivas de alta impedancia para practicar medidas diferenciales. En este montaje, sin embargo, el instrumento de medida a utilizar es el construido a partir de dos cables coaxiales: la sonda coaxial balanceada , o sonda diferencial de baja impedancia. La topología del experimento es la mostrada en la Figura 8.1: el camino de tierra lo proporciona una longitud de cable conectada entre el chásis del osciloscopio y la tierra del generador. La sonda diferencial se dispone lo más cerca posible a dicho camino de retorno para evitar crear lazos de corriente no deseados. 65 CAPÍTULO 8. EXPERIMENTO 4. MEDIDA DIFERENCIAL: SONDA DIFERENCIAL. Figura 8.1: Montaje para una medida diferencial con la sonda diferencial. A continuación se presentan los resultados de diferentes mediciones hechas a 19, 30 y 45 MHz. Para cada una de ellas se presentan, respectivamente, las operaciones A−B y A+B , así como el CMRR. 8.1. f=19 MHz Las Figuras 8.2 y 8.3 muestran la señal medida en el osciloscopio por los canales 1 y 2 (líneas amarilla y azul, respectivamente) junto con el resultado de restar ambas medidas (medida diferencial: línea verde) para una señal de 19 MHz. Si se compara la gráca de la Figura 8.2 con la Figura 7.3 puede apreciarse a simple vista una mucho mejor coincidencia de las señales medidas con la sonda diferencial y, por lo tanto, un ruido mucho menor en la señal diferencial medida (idealmente nula). 66 8.2. F=30 MHZ Figura 8.2: A−B a 19 MHz, sonda diferencial construida. Figura 8.3: A−B a 19 MHz, sonda diferencial construida. Esta mejora se puede cuanticar calculando el CMMR: CMRR = 20 ·log10 VA+B pp VA−B pp = 20 ·log10 600 ×10−3 25 ×10−3=27.6dB (8.1) 8.2. f=30 MHz Las Figuras 8.4 y 8.5 muestran la señal medida en el osciloscopio por los canales 1 y 2 (líneas amarilla y azul, respectivamente) junto con el resultado de restar ambas medidas (medida diferencial: línea verde) para una señal de 30 MHz. 67 CAPÍTULO 8. EXPERIMENTO 4. MEDIDA DIFERENCIAL: SONDA DIFERENCIAL. Figura 8.4: A−B a 30 MHz, sonda diferencial construida. Figura 8.5: A−B a 30 MHz, sonda diferencial construida. El CMMR resultante se calcula como en la sección anterior: CMRR = 20 ·log10 VA+B pp VA−B pp = 20 ·log10 1.15 50 ×10−3=27.2dB (8.2) 8.3. f=45 MHz Las Figuras 8.6 y 8.7 muestran la señal medida en el osciloscopio por los canales 1 y 2 (líneas amarilla y azul, respectivamente) junto con el resultado de restar ambas medidas (medida diferencial: línea verde) para una señal de 45 MHz. Si se comparan la grácas de las Figuras 8.6 y 8.7 con las de las Figuras 7.5 y 7.6 puede apreciarse a simple vista una mucho mejor coincidencia de las señales medidas con la sonda diferencial y, por lo tanto, un ruido mucho menor en la señal diferencial medida (idealmente nula). 68 8.4. PUNTOS CLAVE Figura 8.6: A−B a 45 MHz, sonda diferencial construida. Figura 8.7: A−B a 45 MHz, sonda diferencial construida. Esta mejora se puede cuanticar calculando el CMMR: CMRR = 20 ·log10 VA+B pp VA−B pp = 20 ·log10 1.6 80 ×10−3=26dB (8.3) 8.4. Puntos clave 4 Repitiendo las medidas del Experimento 3 con una sonda diferencial, los resultados globales son sustancialmente mejores. 4 Mientras que con dos sondas pasivas de alta impedancia se consiguieron CMRR del orden de 16 dB a 45 MHz, con la sonda diferencial se obtiene un ratio de rechazo al modo común de 26 dB. 69 CAPÍTULO 8. EXPERIMENTO 4. MEDIDA DIFERENCIAL: SONDA DIFERENCIAL. 4 Los valores son aun mejores para frecuencias más bajas, consiguiéndose un CMRR de casi 28 dB para 15 MHz. 4 La sonda diferencial es un dispositivo sencillo de construir con pocos recursos. Los resultados avalan las medidas diferenciales con sondas diferenciales para suprimir la mayoría de los inconvenientes que han surgido durante los 4 experimentos. 70 Capítulo 9 Conclusiones Los circuitos digitales son cada vez más rapidos y complejos. En este conexto, la Compatibilidad Electromagnética es fundamental durante todas las etapas de vida de un dispositivo electrónico, desde el diseño al mantenimiento. A pesar de su importancia cuando se manejan frecuencias elevadas, la Compatibilidad Electromagnética no siempre es tenida en cuenta. Un claro ejemplo lo representan las sondas de medida en osciloscopios, que son ampliamente usadas sin la debida consideración en algunos casos. Las sondas pasivas de alta impedancia copan la mayoría de las medidas con osciloscopios en todo tipo de aplicaciones y, a pesar de aparentar ser un elemento sin mayor relevancia que la de llevar una señal desde el circuito hasta el osciloscopio, en este trabajo n de grado se ha comprobado que no es así. Gracias al primer experimento, en el que se ha descrito el fenómeno de la resonancia, la importancia del divisor de tensión resistivo - capacitivo se ha puesto de maniesto. Estos divisores se incorporan en la sonda pasiva de alta impedancia y el osciloscopio con el objetivo de no alterar el circuito sobre el que se está midiendo. Lo más destacable es cómo, al incrementarse la frecuencia, puede suceder que la sonda pasiva de alta impedancia que en un principio no interaccionaría con el dispositivo bajo estudio, acaba exhibiendo una impedancia bastante menor de la que se le requiere, a causa de las resonancias internas. Con el camino de tierra (que presentan la inmensa mayoría de las sondas para poder hacer una medición entre dos puntos de un circuito) como nexo de unión, se llega al segundo experimento. Se conrma que la resonancia que aparece en la sonda pasiva de alta impedancia tiene, como contribuyente fundamental, dicho camino de retorno. La principal razón: el comportamiento no ideal de componentes; y es que la mayor contribución a la impedancia de un conductor proviene de su longitud y reactancia inductiva, que cobra importancia al aumentar la frecuencia, hasta el punto de tener más peso que la propia resistencia del conductor. Como posible solución a los problemas de resonancia que aparecen en la sonda pasiva de alta impedancia, se construye una sonda pasiva de baja impedancia. Aunque desafortunadamente nombrada, esta sonda exhibe un comportamiento más regular y menos dependiente de la frecuencia que la sonda pasiva de alta impedancia, mostrando una impedancia mayor que la comúnente usada. De construcción sencilla y barata, la sonda pasiva de baja impedancia 71 CAPÍTULO 9. CONCLUSIONES muestra sus virtudes a través de los experimentos 1 y 2, en los que se comporta mejor ante efectos de resonancia debido a su naturaleza resistiva. A pesar de haber quedado demostrado que la longitud del camino de masa de cualquier sonda inuye negativamente (en mayor o menor grado) en la calidad de una medida, muchas veces no es posible limitar su longitud. De cara a estas situaciones, se ha aprendido que la adición de impedancias puramente resistivas pueden atenuar las resonancias cuando estas se estén manifestando. Además, el uso de ferritas mostró ser otro recurso válido en aquellos casos en los que se tengan corrientes circulando entre las tierras del dispositivo bajo estudio y el osciloscopio. El origen de ese ruido es, de nuevo, debido a los efectos parásitos que aparecen a frecuencias sucientemente altas y que originan una diferencia de potencial entre puntos de tierra en los que se debería medir el mismo voltaje. Para intentar paliar los efectos indeseados encontrados en los experimentos 1 y 2 se puede recurrir a medidas diferenciales, que eliminan los niveles de voltaje en modo común cuando las condiciones de la medida diferencial son las ideales. Aunque en el experimento 3 se demostró que es posible hacer medidas diferenciales con dos sondas pasivas de alta impedancia convencionales, los resultados pusieron de maniesto la extrema sensibilidad de esta técnica a varios factores, principalmente relacionados con la disposición del montaje y la compensación de las sondas a la hora de hacer la medición. La solución de compromiso a la que se llega es la de construir una sonda diferencial, que suprime los inconvenientes del uso simultáneo de dos sondas pasivas de alta impedancia. Una sonda diferencial es un dispositivo extremadamente sencillo, fácil de construir y barato. Del último experimento se dedujeron ratios de rechazo al modo común de más de 27 dB, que representa casi el doble de lo obtenido con el uso de dos sondas diferenciales. Conviene tener presente los puntos claves deducidos de los experimentos que se han llevado a cabo cuando se trata de hacer medidas que involucran circuitos digitales de alta velocidad. En base a los resultados obtenidos durante este trabajo n de grado, y en función de los recursos disponibles, la construcción de una sonda pasiva de baja impedancia o de una sonda diferencial puede ser altamente recomendable cuando no se dispone de otras sondas de medida más sosticadas como las sondas activas. 72