Pourquoi y a-t-il autant d'options de connexion à la terre pour les sondes passives d'oscilloscope ?

La plupart des oscilloscopes sont équipés d'un ensemble de sondes passives conçues pour les applications à usage général. Ces sondes incluent généralement un kit d'accessoires avec un certain nombre d'options de connexion (Figure 1).

Figure 1 : Un kit d'accessoires typique pour une sonde d'oscilloscope passive haute impédance fournit plusieurs options de connexion. (Source de l'image : Teledyne LeCroy)

Cette figure montre le modèle PP008-1 de sonde passive haute impédance de Teledyne LeCroy avec les accessoires fournis. La plupart des fabricants incluent des dispositifs de connexion semblables. Vous vous demandez peut-être pourquoi il y a autant de dispositifs pour connecter la sonde à la terre. La réponse est que la connexion à la terre a un effet majeur sur les mesures haute fréquence. Les dispositifs fournis avec la sonde permettent donc de garantir la meilleure connexion à la terre possible.

Le modèle de circuit d'une sonde X10 de 500 mégahertz (MHz) typique inclut des éléments de résistance, de capacité et d'induction (Figure 2).

Figure 2 : Le modèle de circuit d'une sonde X10 de 500 MHz inclut l'inductance du fil de terre ainsi que des éléments de résistance et de capacité. (Source de l'image : Art Pini)

Du côté servant à effectuer des mesures, la sonde ressemble à une résistance de 10 méga-ohms (MΩ) montée en parallèle avec un condensateur de 9,5 picofarads (pF). Le côté relié à la terre inclut l'inductance série de la connexion à la terre. Pour un fil de terre typique de 11,4 cm, l'inductance s'élève à environ 200 picohenrys (pH).

À des fréquences inférieures à environ 20 MHz, l'inductance du fil de terre n'a pas beaucoup d'effet. La résistance de 10 MΩ peut être ignorée, et l'inductance (L) et le condensateur (C) forment un circuit LC série avec une résonance à 115 MHz. L'inductance entraîne un pic dans la réponse de la sonde, et les composantes haute fréquence de tous les signaux sont ainsi amplifiées. Idéalement, le fil de terre ne doit pas être utilisé pour les signaux qui présentent des composantes de fréquence supérieures à 20 MHz.

Alors comment connecter la sonde pour utiliser toute la largeur de bande ? L'idée est d'utiliser une méthode de connexion qui minimise l'inductance du fil. Le ressort de mise à la terre illustré en haut de la Figure 1 est une bonne solution. La pointe de la sonde entre en contact avec le point de mesure, tandis que le ressort de mise à la terre est relié au point de masse le plus proche sur le circuit. Assurez-vous simplement d'insérer le ressort de manière à ce que la partie en spirale soit complètement court-circuitée par l'anneau de mise à la terre de la sonde.

La lame de terre permet d'avoir une inductance légèrement inférieure. Le métal plat de la lame présente moins d'inductance que la section transversale cylindrique du ressort de mise à la terre. L'utilisation d'un plan de masse sous forme de feuille fixée à la masse du circuit permet de connecter plus facilement la lame de terre de manière efficace (Figure 3).

Figure 3 : La lame de terre se connecte à un plan de masse sous forme de feuille de cuivre soudée aux broches de terre sur le circuit intégré. (Source de l'image : Teledyne LeCroy)

Dans cet exemple, une sonde passive PP007-WR-1 de Teledyne LeCroy utilise la lame de terre pour relier la sonde à un plan de masse en cuivre soudé aux broches de terre du circuit intégré. Un couvercle de sonde de circuit intégré guide la pointe de la sonde jusqu'à la broche du point de test sur le circuit intégré, tandis que l'extension isolée se place parfaitement entre les broches du circuit intégré et fournit une certaine stabilité.

Vient ensuite une autre question évidente : quelle est la différence de chacune de ces connexions à la terre quant aux mesures ? Faisons une comparaison. La Figure 4 montre quatre mesures superposées d'une impulsion avec des temps de transition de 750 picosecondes (ps) (avec une largeur de bande de signal d'environ 466 MHz). Chaque mesure utilise une technique de mise à la terre différente.

Figure 4 : Comparaison de la réponse mesurée à une impulsion étroite avec des temps de transition inférieurs à une nanoseconde. Le tracé rouge a été obtenu avec une connexion coaxiale et constitue ici le signal de référence. (Source de l'image : Art Pini)

Le tracé rouge correspond au signal obtenu avec une connexion coaxiale et sert de norme de référence. Le tracé bleu a été obtenu avec un fil de terre standard de 11,4 cm. Notez que l'inductance série élevée du fil provoque un dépassement conséquent. Le tracé vert correspond à la réponse avec un ressort de mise à la terre. Cette réponse est assurément meilleure que celle obtenue avec le fil de terre. Le tracé jaune correspond à la réponse obtenue avec la lame de terre, qui n'est que légèrement meilleure que celle obtenue avec le ressort de mise à la terre.

Conclusion

Lors de l'utilisation de sondes passives haute impédance pour mesurer des signaux ayant des composantes de fréquence supérieures à 20 MHz, vous devez utiliser le fil de terre le plus court possible. C'est la raison pour laquelle il y a autant d'options incluses dans le kit d'accessoires de la sonde.