Présentation et utilisation d'une sonde de rail active

Les tensions de bus d'alimentation pour les dispositifs portables et les ordinateurs haute vitesse diminuent. Historiquement, les rails d'alimentation de 5 volts (V) fonctionnaient avec une tolérance de ±5 %, tandis que les processeurs basse tension actuels nécessitent des tolérances beaucoup plus strictes de l'ordre de ±1 %. Par conséquent, un bus de 1,1 V a une tolérance de ±11 millivolts (mV). Pour garantir l'intégrité de ces réseaux de distribution d'énergie (PDN), il faut de nouveaux outils de mesure.

Les réseaux de distribution d'énergie sont communs à tous les dispositifs nécessitant une alimentation, car le bruit, la diaphonie ou des transitoires de changement de charge au niveau des rails d'alimentation se propagent dans l'ensemble du système. Ces signaux parasites peuvent entraîner une multitude d'autres problèmes, comme une gigue de temporisation. Il est donc important de mesurer et d'évaluer non seulement la tension CC, mais également le bruit, l'ondulation et la diaphonie au niveau du rail d'alimentation.

Cela nécessite l'observation des signaux dans la plage des millivolts sur des rails d'alimentation présentant des niveaux CC de 1 V ou plus. C'est là qu'il y a un problème. Un oscilloscope typique défini sur sa plage de 5 mV peut seulement compenser un décalage de ±300 mV. Cela signifie que même un bus d'alimentation de 1 V sort du cadre. Bien sûr, l'utilisation d'une sensibilité verticale accrue, comme 200 mV, permet d'augmenter la plage de décalage à ±3 V, mais le bruit et l'ondulation (en supposant un niveau inférieur à la tolérance de tension de 11 mV) sont presque invisibles. C'est là qu'une sonde active de rail d'alimentation peut s'avérer utile.

Les sondes de rail d'alimentation comme le RP4030 de Teledyne LeCroy s'attaquent à ce problème de différentes façons. Tout d'abord, elles offrent des plages d'atténuation proches de 1:1 pour ne pas atténuer ces signaux cibles déjà faibles. Ensuite, elles évitent l'application d'une charge de puissance en divisant le trajet du signal en trajets CC et CA, chacun avec sa propre impédance d'entrée (Figure 1).

Figure 1 : Schéma fonctionnel simplifié d'une sonde de rail d'alimentation typique montrant les trajets CA et CC parallèles ainsi que leurs de tracés de réponse en fréquence. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le trajet CC offre une résistance en courant continu de 50 kilo-ohms (kΩ). Le trajet CA couple le signal de manière capacitive. Le trajet CC présente une réponse en fréquence passe-bas, tandis que le trajet CA présente une réponse en fréquence passe-haut. Les trajets s'additionnent à la sortie de la sonde et fonctionnent dans la terminaison d'entrée de 50 Ω de l'oscilloscope, générant une réponse en fréquence plate. Ce fonctionnement dans l'entrée de l'oscilloscope de 50 Ω offre la plus faible contribution au bruit et la plus haute bande passante depuis l'oscilloscope. La bande passante des sondes est de 4 gigahertz (GHz), ce qui permet de mesurer une vaste plage de signaux parasites. Enfin, les sondes de rail offrent une tension de décalage haute précision très large, typiquement dans la plage de ±30 V.

Exemple d'utilisation d'une sonde active

Intéressons-nous à une mesure typique, comme illustrée à la Figure 2. Il s'agit de la mesure des variations périodiques et erratiques (PARD) sur un bus de 1,1 V. PARD est un terme courant dans l'industrie et désigne une mesure des variations de la tension de bus instantanée par rapport à ses valeurs moyennes ou efficaces. Ces variations peuvent inclure les signaux périodiques, le bruit aléatoire et la diaphonie. La valeur PARD est généralement mesurée en tant que valeur crête-à-crête.

Dans la Figure 2, le paramètre de mesure crête-à-crête indique des valeurs PARD de 7,5 mV. Cela inclut les composantes périodiques, aléatoires et à pointe étroite. Le paramètre PARD n'inclut pas les variations lentes de la tension de bus en dessous de 20 Hz, appelées dérives. La sonde de rail fournit le décalage, illustré dans la Figure en tant que -1,1 V dans la boîte d'annotation C1 (en bas à gauche, en jaune). La sonde de rail utilisée dans cet exemple présente une plage de décalage de ±30 V. Cela permet de mesurer le signal à l'aide de l'échelle verticale de 2 mV par division (mV/div), qui présente une plage de seulement ±300 mV sans la sonde.

Figure 2 : Mesures PARD à une sensibilité verticale de 2 mV par division. Elles montrent des composantes aléatoires, périodiques et de diaphonie avec une valeur crête-à-crête de 7,5 mV sur un rail de 1,1 V. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les sondes de rail d'alimentation incluent également plusieurs accessoires d'interconnexion pour simplifier ces mesures, notamment un outil spécial pour le sondage manuel sur les circuits imprimés et un câble à souder. Le câble à souder fournit la bande passante la plus élevée, tandis que l'outil spécial fournit la bande passante la plus faible.

Conclusion

Les mesures d'intégrité d'alimentation deviennent de plus en plus difficiles alors que les tensions diminuent, mais comme illustré, les sondes actives de rail d'alimentation peuvent être d'une grande aide. Ces sondes éliminent la perte de gamme dynamique survenant généralement lorsqu'une faible tension doit être mesurée sur une tension CC beaucoup plus élevée.