Em um artigo publicado anteriormente, baseados em material da Agilent Technologies, mostramos que as pontas de prova de osciloscópios para uso em banda larga podem apresentar problemas que afetam o sinal, levando a falsas interpretações de resultados. Neste artigo, que é uma complementação do assunto, orientamos como utilizaras pontas de prova em trabalhos que envolvam sinais de altas frequências ocupando bandas altas, tais como os encontrados em equipamentos de telecomunicações modernos.
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 451 de 2011.
O que define exatamente o que está sendo medido é o procedimento usado para uma medida. De nada valem as informações técnicas sobre a curva de resposta de uma ponta de prova-se o modo como as medidas devem ser feitas não é fornecido. Para isso, é preciso fazer um ajuste da ponta de prova antes da medida.
Independentemente de como seja a resposta no domínio do tempo ou da frequência, os sinais antes e depois da ponta de prova precisam ser medidos. Na figura 1 mostramos como o "setup" de uma ponta de prova deve ser feito.
Uma adaptação que consiste de uma linha de transmissão exposta de 50 ohms pode ser usada para permitir que a ponta de prova seja conectada à fonte e também que o sinal seja medido.
Para possibilitar uma medida precisa de Vin, esta adaptação precisa ter um mínimo de perdas e reflexões entre o ponto que está sendo analisado e a conexão do lado direito. Tanto o lado direito da adaptação quanto a saída da ponta de prova devem ser conectados a sistemas terminados em 50 ohms, tais como as entradas de um osciloscópio de microondas, medidores de potência ou portas calibradas de um analisador vetorial de redes (VNA).
A impedância de saída de uma ponta de prova não é um item significativo nestas medidas na maioria dos casos. No entanto, quando uma ponta de prova é utilizada na entrada de um instrumento que tenha uma terminação de 50 ohms pobre, podem ocorrer reflexões que se propagam de volta para a ponta. Isso causa perturbações na resposta de passo da ponta de prova.
Por que os usuários de uma ponta de prova devem medir essas grandezas quando ela é fornecida pelos fabricantes? O que acontece que é sempre bom conferir se a ponta de prova está em bom estado antes de usá-la em medidas importantes. Por exemplo, se vamos medir resistências com o multímetro, sempre o zeramos antes, para garantir que os resultados obtidos depois disso estejam corretos.
Outro ponto relevante vem do fato de que a impedância de entrada e a resposta de frequência de uma ponta de prova são muito dependentes dos acessórios de conexão. É uma boa ideia fazer as medidas usando apenas um acessório de cada vez.
Os fabricantes, normalmente, não fornecem informações sobre a resposta de frequência da ponta quando diversos acessórios são empregados. Para esse teste utilizam sinais que tenham taxas de crescimento rápidas, comparando-se o sinal na entrada e na saída da ponta de prova. A figura 1 ilustrou como isso pode ser realizado. Veja que não é preciso ter um sinal perfeito para estes testes. Basta verificar se as imperfeições que existem na entrada devem estar presentes na saída.
Muitos osciloscópios dispõem de sinais de calibração com tempos de crescimento muito curtos e que podem ser usados para excitar uma entrada de 50 ohms. Esse sinal de calibração e uma derivação de 50 ohms no trajeto do sinal são ideais para se verificar a qualidade de uma ponta de prova e de seus acessórios de conexão.
Se a impedância de entrada de 50 ohms do osciloscópio não for boa com sinais de altas frequências, um atenuador de alta qualidade de 50 ohms deverá ser usado. Ele vai reduzir os erros entre os sinais na entrada do osciloscópio e na entrada da ponta de prova. Esse erro é causado, geralmente, por reflexões do sinal na ponta com problemas.
Acessórios amortecidos e sem amortecimento
Nas figuras 2(a), (b) e (c) temos as comparações de medidas feitas para um sinal com bom aterramento aplicado às pontas de prova de 3,5 GHz usando fios terminais de 2 polegadas.
A ponta de prova da esquerda usa um fio de 2 polegadas que é conectado diretamente ao ponto que está sendo testado. A ponta da direita utiliza o mesmo comprimento de fio, mas possui um resistor de 215 ohms entre o ponto testado e o fio terminal. Isso torna a estrutura na entrada da ponta de prova uma linha de transmissão com terminação na fonte.
Excluindo os acessórios de conexão, as duas pontas de prova são similares, mas não idênticas, porque a ponta de prova da direita está otimizada para ser usada com acessórios apropriadamente amortecidos e a prova da esquerda otimizada para ser usada com pinos de metal não amortecidos.
Os gráficos no domínio das frequências em 2(a) mostram que as duas conexões das pontas de prova têm a mesma impedância nas baixas frequências. Todavia, a ponta não amortecida ressoa com uma resistência baixa de 15 ohms aproximadamente em 750 MHz, enquanto que a ponte amortecida nunca tem impedância menor que 230 ohms até 4 GHz. Os gráficos no domínio das frequências de Vin, Vout e resposta dVin/Vout revelam alguns pontos importantes. Observando a Vin medida, a conexão não amortecida carrega a fonte de 25 ohms em 750 MHz, reduzindo Vsrc em 9 dB aproximadamente.
Lembrando que 6 dB é um fator equivalente a 2 em tensão, se a impedância de entrada da ponta de prova é a mesma da impedância da fonte, Vsrc pode ser reduzida em 6 dB. Isso torna intuitivo que uma impedância de entrada de 15 ohms carrega a fonte de 25 ohms em mais de 6 dB em 750 MHz.Se a resposta de frequência de uma ponta de prova for perfeita, a saída será exatamente a mesma que a entrada em toda a faixa de frequências.
A saída da ponta de prova do lado esquerdo da figura 2 (a) indica que o sinal medido em 750 MHz é 14 dB, ou tem um fator de 5 sobre o nível de baixa frequência. Na realidade, o sinal medido é 9 dB ou tem um fator 2,8 abaixo do nível de baixa frequência. Isso significa que a saída está 23 dB acima da entrada, ou existe um erro de 23 dB em 750 MHz. O gráfico de resposta de Vout/Vin exibe esse erro.
Em contraste, a resposta de frequência para um amortecimento apropriado da ponta de prova está à direita, onde não há nenhum pico em qualquer frequência. Mesmo quando se utiliza uma ponta terminal de 2 polegadas, a ponta apropriadamente amortecida tem menos de 3 dB de erro até 1,5 GHz.
Diversas medidas no domínio de tempo foram feitas com duas pontas conforme as sugeridas, num sistema de 25 ohms. De acordo com a figura 2(b), quando medindo-se baixas frequências - um sinal retangular de 66 MHz com tempos de subida relativamente peque-nos (2 ns), as saídas das duas pontas de prova apresentam sinais com boa precisão.
Entretanto, quando se medem sinais retangulares com tempos de subida de 1 ns, a saída da ponta apropriadamente amortecida é mais precisa, enquanto que a entrada da ponta não amortecida indica um tempo de subida maior do que realmente ele é. Isso pode parecer impossível para muitos usuários!
Como apresentado na figura 2(c), quando medimos sinais retangulares com tempos de subida rápidos (da ordem de 250 ps), a saída da ponta de prova não amortecida apresenta um "overshoot" excessivo, além de oscilação.
O overshoot e a oscilação são fáceis de identificar quando medimos baixas frequências (sinais de 66 MHz, por exemplo). No entanto, quando se mede altas frequências, como mostrado nos gráficos inferiores, o erro de medida causado pela ponta de prova se torna maior e menos óbvio.
Quando uma ponta de prova real está sendo utilizada em um sistema real, o usuário não tem a comodidade de ver os sinais antes e depois dela. O usuário somente vê o sinal na saída. Assim, para saber se o sinal que ele está vendo não tem distorções, ele precisa saber qual é a resposta de frequência da ponta de prova. O que muitos usuários realmente querem é simplesmente saber se a performance de seu sistema de medidas é boa o suficiente para não ter erros significantes.
Se uma ponta de prova tem picos na curva de resposta no domínio das frequências, como a ponta mostrada na figura 2(a) na medida de sinais retangulares, isso significa que podem aparecer mais overshoot e oscilação do que o sinal realmente tem.
Quando medindo sinais retangulares de frequências mais altas, como clocks de sistemas, o sinal na saída da ponta de prova pode aparecer muito distorcido. O grau das discrepâncias depende de muitas variáveis, como a magnitude e frequência dos picos na ponta de prova, a frequência do sinal de entrada e o tempo de subida do sinal de entrada. Simplificando: fica difícil saber o quanto uma ponta de prova que apresente picos na sua curva de resposta é menos precisa para uma determinada aplicação. Também deve ser considerado o que ocorre com uma ponta que tenha uma resposta plana, como a indicada na direita da figura 2(a).
Quando na medida de sinais retangulares de baixa frequência, o tempo de subida na entrada da ponta de prova será limitada pelo tempo de subida da própria ponta. Quando na medida de sinais retangulares de altas frequências, como clocks de sistemas, o efeito é exatamente o mesmo. Porém, o sinal visualizado terá a limitação desse tempo de subida.
Acessórios para melhor conexão
A figura 3 ilustra medidas feitas com duas pontas de prova diferentes para 4 GHz. Ambas usam acessórios de conexão. A prova da direita incorpora uma resistência ótima no ponto que está sendo testado, enquanto a da esquerda não. A fonte de sinal é conectada diretamente no soquete da ponta de prova. O comprimento interno do soquete com a capacitância do atenuador interno no final do soquete faz com que a estrutura ressoe dentro da faixa de frequências especificada.
Apesar da faixa de "-3 dB de faixa passante" ser de 4,5 GHz para esta ponta, existe um erro de +3 dB em 2,8 GHz. Para referência, 1 dB é -12% em termos de tensão. A ponta de prova da direita não é ressonante em toda sua faixa. A menor frequência em que há um erro de 3 B é a limite da ponta, que é de 4,8 GHz.
As figuras 4(a) e (b) mostram as medidas que foram feitas com as mesmas pontas de prova da figura 3. Nas figuras 4(a) e 4(b), as provas são usadas com os melhores acessórios de conexão (diferentes daqueles que vêm junto). Esses são acessórios os mais curtos, usados tipicamente para explorar uma placa de circuito impresso, fazendo medidas em diversos pontos.
Para a ponta de prova da esquerda foi adicionado um pino para conexão a terra e um pino de 0,15 polegadas para o sinal. Para a ponta de prova da direita, mudasse a conexão à terra por uma lâmina larga. Veja as diferenças nos gráficos. Para os leitores que estejam mais familiarizados com parâmetros no domínio do tempo, medidas de um clock de 1,2 GHz são exibidas na figura 4(b).
A parte superior da figura 4(b) mostra a fonte de 25 ohms sem a ponta de prova conectada a Vscr, e com a ponta de prova conectada a Vin. A ponta de prova com a impedância de entrada maior afeta o sinal. A parte de baixo do gráfico mostra o sinal na entrada da ponta de prova, Vin e no percurso até Vout. Todas medidas nesta descrição foram feitas num sistema com uma impedância de fonte ideal de 25 ohms.
Será que o que acontece nessas medidas também ocorre quando as pontas de prova são usadas num sistema real com diferentes impedâncias?
Se a ponta de prova possuir um pico de resposta em alguma frequência, a sua saída sempre indicará um sinal que tenha picos maiores do que realmente possui.
Se a reposta for plana, a ponta de prova sempre fornecerá uma representação precisa da forma do sinal que está sendo medido, isso dentro de sua faixa de resposta de frequência. Quando as pontas de prova forem usadas em sistemas que tenham diferentes impedâncias de fonte, o efeito será simplesmente no circuito que está sendo medido. Na maioria dos casos (não complexos), os efeitos da ponta de prova podem ser previstos. No entanto em outros isso não ocorre, ficando difícil prever os efeitos que podem surgir. Os piores efeitos aparecem quando uma impedância ressonante é conectada ao circuito. De qualquer forma, o usuário deve saber como prever se sua ponta de prova está afetando o circuito que está sendo analisado.
Conclusão
Apesar das especificações dos fabricantes de "pontas de prova de banda larga para osciloscópios" indicarem características que permitem inferir que as formas de onda a serem observadas são sempre corretas, isso não acontece na prática.
A maneira como as pontas são usadas, as características dos seus acessórios, além de outros fatores podem introduzir deformações nos sinais, as quais devem ser consideradas. Neste artigo orientamos como verificar e ajustar uma ponta de prova de osciloscópio, levando à obtenção de resultados de medidas os mais confiáveis possíveis.
