Einführung

Obwohl der passive 10x-Tastkopf der am häufigsten verwendete Tastkopf mit einem Oszilloskop ist, wird er ironischerweise oft missverstanden und falsch verwendet. In dieser Application Note wird erläutert, wie Sie das Beste daraus machen, indem Sie häufig auftretende Artefakte vermeiden.

Best Practices für 10x-Sonden

Bei der Verwendung der 10x-Sonde sind fünf wichtige bewährte Messmethoden zu beachten. Befolgen Sie diese Richtlinien, um mit einer 10x-Sonde die beste Leistung zu erzielen und häufige Artefakte zu vermeiden:

  1. Kompensieren Sie den Tastkopf immer mit dem Kalibrierungsreferenzsignal (Cal) auf der Frontplatte jedes Oszilloskops.
  2. Versuchen Sie immer, eine Spitzengeometrie zu verwenden, die die Schleifeninduktivität minimiert. Eine kleine Federerdungsspitze oder eine Koaxialverbindung zum DUT reduziert die Klingelartefakte und erweitert die Sondierungsbandbreite auf die höchste Frequenz.
  3. Versuchen Sie immer, eine Koaxialverbindung zum DUT zu verwenden, um die Aufnahme von Hochfrequenz (HF) aus der lokalen Umgebung zu reduzieren.
  4. Wenn Sie eine Quelle mit niedriger Impedanz prüfen, sollten Sie einen Reihenwiderstand von 200 Ω hinzufügen, um das Überschwingen von der Induktivität der Spitzenschleife und der Eingangskapazität des 10x-Tastkopfs zu dämpfen.
  5. Denken Sie immer daran, dass die Eingangsimpedanz der 10x-Sonde eine Kapazität von 9.5 pF ist; es sind nicht 10 MΩ.

Anpassen der Sondenkompensation

Der erste und wichtigste Schritt bei der Verwendung einer 10x-Sonde ist die Anpassung ihrer Kompensation. Selbst bei Signalen mit einer Bandbreite von 20 MHz oder einer Anstiegszeit von bis zu 50 ns ist eine Kompensation wichtig, um die Verzerrung des Signals durch den Tastkopf zu minimieren.

Um die Sondenkompensation zu prüfen, schließen Sie die Sonde an das Cal-Referenzsignal an, das an den Anschlüssen auf der Frontplatte des Oszilloskops verfügbar ist. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für den Anschluss an der Vorderseite eines HDO4096-Oszilloskops.

Am Cal-Anschluss liegt eine 1-Vpk-pk, 1-kHz-Rechteckwelle mit einer Eigenanstiegszeit von etwa 3 ns und einer Quellenimpedanz von 800 Ω an. Die hohe Impedanz ist ein Sicherheitsmerkmal, das vor einer versehentlichen Verbindung der Erdungsklemme der Sonde mit dem Cal-Signalausgangsstift schützt. In einem solchen Fall ist der Stromfluss auf etwa 1 mA begrenzt, was keine Gefahr für die Sonde, das Oszilloskop oder den Bediener darstellt.

Dieses 1-kHz-Signal mit kurzer Anstiegszeit steht auf jedem Oszilloskop als Referenzsignal zur Verfügung, um die Kompensation für einen 10-fach-Tastkopf einzustellen. Die Oszilloskopsondenkompensation wird mit einer kleinen Stellschraube eingestellt, die sich am Ende der Sonde befindet, die in das Oszilloskop gesteckt wird (Abbildung 2).

Wenn die Kompensation richtig eingestellt ist, sieht die gemessene Rechteckwelle wie eine flache Rechteckwelle aus. Wenn die Sonde jedoch unter- oder überkompensiert wird, wird die flache Kante verzerrt (Abbildung 3).

Die Kompensation ist selbst für Signale mit geringer Bandbreite wichtig, wenn man bedenkt, dass die Auswirkungen der Kompensation in dieser 1-kHz-Rechteckwelle zu sehen sind. Überprüfen Sie vor der Verwendung einer passiven 10x-Sonde immer ihre Kompensation mit dem Rechteckwellen-Cal-Signal. Wenn die Rechteckwelle nicht flach ist, wie in der Mitte von Abbildung 2 gezeigt, stellen Sie die Ausgleichsschraube ein, bis sie flach wird.

Die Bedeutung der Tip-Loop-Induktivität

Das Haupthindernis für die Leistung eines passiven 10-fach-Tastkopfs ist die Spitzeninduktivität. Die höchste Bandbreitenmessung ist nur erreichbar, wenn eine koaxiale Verbindung an der Spitze der Sonde verwendet wird. Immer wenn Signal- und Rückweg getrennt werden, um das DUT zu kontaktieren, treten zwei Probleme auf:

  • Es führt eine induktive Diskontinuität an der Sondenspitze ein, die ein Klingeln verursacht, und
  • Die Sondenspitze wirkt wie eine Antenne und nimmt HF-Rauschen aus der Umgebung auf.

Die Induktivität einer kreisförmigen Schleife mit einem Durchmesser von 1 Zoll beträgt etwa 85 nH. Abhängig von der Größe der Schleife, die von der Spitze und ihrem Erdungsrückleitungsband erzeugt wird, kann die Schleifeninduktivität der Spitze bis zu 200 nH betragen. Die Folge dieser höheren Induktivität der Spitzenschleife besteht darin, die Bandbreite der 10x-Sonde zu reduzieren und eine parallele LC-Resonanzspitze in die Übertragungsfunktion einzuführen.

Die Höhe dieser Resonanzspitze hängt vom Quellenwiderstand des DUT-Signals ab. Je niedriger der Quellenwiderstand, desto höher Q und desto höher die Spitze in der Übertragungsfunktion. Abbildung 4 zeigt die Übertragungsfunktion mit einer Schleifeninduktivität von 200 nH in der Spitze und einem Quellenwiderstand von 50 Ω. Enthalten ist die gemessene Antwort einer schnellen Flanke von einer 50-Ω-Quelle mit einer großen Spitzenschleifeninduktivität.

Wenn jedoch die Quellenimpedanz des DUT verringert wird, steigt das Q des LC-Kreises, das sich aus der Spitzeninduktivität und der 9.5-pF-Eingangskapazität der 10x-Sonde zusammensetzt. Dies erhöht die Spitze der Übertragungsfunktion und trägt zu einem höheren Nachschwingen bei (Abbildung 5).

In diesem Beispiel wurde eine 5-V-Stromschiene mit sehr geringem Ausgangswiderstand aus- und eingeschaltet. Das Einschwingverhalten zeigt bei etwa 80 MHz viel Nachschwingen. Dies ist sehr nah an der simulierten Übertragungsfunktionsspitze bei etwa 100 MHz, basierend auf der Annahme einer Spitzenschleifeninduktivität von 200 nH und der Eingangskapazität der Sonde von 9.5 pF.

Es ist immer wichtig, die Induktivität der Spitzenschleife zu minimieren. Wenn jedoch die Leitungen auseinander gespreizt werden, um die DUT-Pads zu kontaktieren, gibt es immer eine gewisse Induktivität der Spitzenschleife. Wenn die Quellenimpedanz niedrig ist, kann Q hoch sein und es kann künstliches Klingeln von der Sonde geben. Eine weitere Methode zur Behebung dieses Problems besteht darin, der Sondenspitze einen Reihendämpfungswiderstand hinzuzufügen.

Obwohl ein 9-MΩ-Widerstand mit der Sondenspitze in Reihe geschaltet ist, vergisst man leicht, dass ein 9.5-pF-Kondensator dazwischen liegt. Bei 100 MHz hat der 9.5-pF-Kondensator eine Impedanz von nur 250 Ω.

Der Wert des Dämpfungswiderstands sollte groß genug sein, um ein Q von etwa 1 bereitzustellen, aber nicht so groß, dass die Reaktionszeit übermäßig verlängert wird. Für ein Q von 1 sollte der Serienwiderstand sein:

Das Verringern von Q mit dem Reihendämpfungswiderstand verringert auch die Bandbreite und erhöht die kürzeste messbare Anstiegszeit. Bei einer Bandbreite von 100 MHz beträgt die kürzeste messbare Anstiegszeit etwa 3.5 ns.

Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für das Hinzufügen eines 220-Ω-Serienwiderstands zur Spitze der 10x-Sonde, die die 5-V-Schaltversorgung misst. Dies ist etwas höher als der kritisch gedämpfte Widerstand, daher sollte es keine Spitzen in der Übertragungsfunktion oder Klingeln im Einschwingverhalten geben. Die simulierte Übertragungsfunktion schlägt einen -3-dB-Punkt von etwa 100 MHz vor, was darauf hindeutet, dass die kürzeste messbare Anstiegszeit 3.5 ns beträgt.

Während es immer wichtig ist, die Spitzeninduktivität in einem passiven 10-fach-Tastkopf zu minimieren, kann jede Spitzeninduktivität ein künstliches Klingeln hervorrufen, wenn eine Stromschiene mit niedriger Impedanz gemessen wird. Das Hinzufügen eines Reihenwiderstands von etwa 200 Ω in der Spitze reduziert dieses Artefakt, verringert jedoch auch die Bandbreite der Sonde auf 100 MHz oder weniger.

Wenn Ihre Rail-Probing-Anwendung eine Bandbreite von mehr als 100 MHz erfordert, sollten Sie einen Tastkopf wie den aktiven Power-Rail-Tastkopf RP4030 von Teledyne LeCroy verwenden, der diese Einschränkung nicht aufweist.

Praktische Überlegungen zum Reduzieren der Spitzenschleifeninduktivität

Um die Induktivität der Spitzenschleife eines passiven 10-fach-Tastkopfs zu reduzieren, sollten Sie die beiden Adapter verwenden, die normalerweise mit ihnen geliefert werden.

Eine große Spitzenschleifeninduktivität reduziert immer die 10-fache Sondenleistung. Es ist immer wichtig, die Tip-Loop-Induktivität so gering wie möglich zu halten. Zwei Adapter, die normalerweise mit jeder Sonde geliefert werden, reduzieren die Induktivität der Schleifenspitze. Der schlimmste Fall ist die Verwendung des mitgelieferten 3-Zoll-Erdungsrückleitungskabels. Eine bessere Option ist der kleine Adapter mit Federspitze, der mit dem Erdungsanschluss verbunden ist, und noch besser ist ein Koaxialadapter (Abbildung 7).

Verwenden Sie nach Möglichkeit eine koaxiale Verbindung zur Leiterplatte oder zum DUT. Dies reduziert die Spitzeninduktivität, reduziert die Aufnahme von HF-Rauschen und ergibt die höchste Bandbreite für die 10x-Sonde. Wenn Sie keine koaxiale Verbindung zum DUT verwenden können, verwenden Sie die kurze Federrückführungsspitze an der Sonde. Wenn Sie die kurze Federspitze nicht als Erdungsrückführung verwenden können, beachten Sie, dass der Tastkopf eine begrenzte Bandbreite hat, empfindlicher auf HF-Aufnahmen reagiert und beim Messen von Signalen mit kurzen Anstiegszeiten ein Klingelartefakt zeigen kann.

HF-Aufnahme und Induktivität der Spitzenschleife

Jede Trennung der Signal- und Rückpfade in einer Sonde führt effektiv zu einer Antenne. Somit bedeutet eine größere Spitzenschleifeninduktivität eine erhöhte HF-Empfindlichkeit. Beim Prüfen eines Signals auf einer Platine, die möglicherweise auch große Nahfeld-Strahlungsemissionen aufweist, wie z. B. mit einem Schaltnetzteil, ist es schwierig, die tatsächlich gemessene Spannung auf der Platine von Rauschen im Zusammenhang mit der HF-Aufnahme zu unterscheiden.

Eine Möglichkeit, Umgebungsgeräusche zu messen, ist die Verwendung einer zweiten 10x-Sonde mit kurzgeschlossenen Spitzen, die speziell als Aufnahmespule verwendet wird. Wenn es in der Nähe der 10x-Sonde platziert wird, die die Spannung an den Leitern misst, kann es ein grobes Maß für das lokale HF-Rauschen geben. Abbildung 8 zeigt die beiden gemessenen Signale, eines auf dem Leiter der Stromschiene und eines der lokalen HF-Aufnahme.

Es fällt auf, wie laut viele Boards im Nahfeld sind. Ein Signal mit einer Frequenz von 100 MHz hat eine Wellenlänge von 10 Fuß. Das bedeutet, dass alle Messungen, die wenige Zentimeter von der Tafel entfernt sind, Nahfeld sind. Das Vorhandensein starker Nahfeldemissionen bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass es starke Fernfeldemissionen geben wird. Viele Nahfeldquellen fallen sehr schnell mit der Entfernung ab.

Wenn das HF-Aufnahmesignal einen erheblichen Bruchteil der gemessenen Spannung am Leiter ausmacht, seien Sie vorsichtig, wenn Sie die gemessene Spannung als echtes Signal interpretieren. Es könnte sich lediglich um ein HF-Aufnehmerrauschen handeln, das nicht mit der tatsächlichen Spannung am DUT zusammenhängt.

Die Lösung für dieses Problem der HF-Aufnahme besteht darin, eine Verbindung mit koaxialer Geometrie von der 10x-Sonde zum DUT zu verwenden. Eine koaxiale Verbindung minimiert die Empfindlichkeit gegenüber HF-Aufnahmen.

Viele passive 10x-Tastkopf-Kits beinhalten einen Koaxial-auf-PCB-Adapter für den 10x-Tastkopf. Der Adapter kann an 100-mil-zentrierten Testpunkten in die Leiterplatte gelötet werden und bietet eine koaxiale Verbindung von den Pads auf der Platine zur 10x-Sonde. Abbildung 9 zeigt ein Beispiel dieses Adapters und seine Auswirkungen auf die Reduzierung des HF-Aufnahmerauschens auf dieser Schiene.

Fazit

Eine passive 10x-Sonde ist das Arbeitspferd, das für viele Routinemessungen verwendet wird. Sein Anwendungs-Sweetspot liegt bei Signalen mit Bandbreiten < 100 MHz und Spannungsbereichen kleiner 400 V, wenn die kleinste messbare Änderung > 100 mV beträgt. Außerhalb dieses Bereichs muss besonders darauf geachtet werden, zuverlässige und genaue Messungen durchzuführen. Die Anwendung der in der Application Note beschriebenen Best Practices kann die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Messungen erhöhen.