פתרונות בדיקה באמצעות פרובים מרובי מצבים

פרובי האוסילוסקופים מרובי המצבים החדשים, מספקים מספר מצבים המאפשרים מדידה של מאפיינים single-ended ודיפרנציאליים ושל מאפייני ה common-mode- של האות הדיפרנציאלי דרך חיבור יחיד

פרוב רב מצבי ניתן לשימוש גם באוסילוסקופ מסדרת Infiniium 9000 של Agilent

פרובים דיפרנציאליים אקטיביים מהווים כלים נפוצים עבור משתמשי אוסילוסקופים בעלי רוחב פס גבוה, אולם הם אינם מצליחים להציג בקלות את הרכיבים השונים מהם בנויים האותות הדיפרנציאליים. תחום ה-data signaling מתאפיין בצורך גובר והולך בפרובים שיאפשרו מדידה של רכיבי ה-single-end וה-common-mode של האותות הדיפרנציאליים.

מבחינה מסורתית, היכולת לבחון רכיבים נפרדים הושגה באמצעות שימוש במספר פרובים וערוצי אוסילוסקופ, אולם שיטה זו מועדת לשגיאות. הפרובים מרובי המצבים החדשים מספקים מספר מצבים שמאפשרים למדוד את המאפיינים הדיפרנציאליים ואת מאפייני ה-single-end וה-common-mode של האות הדיפרנציאלי באמצעות חיבור אותות ביישומים שבהם קיים עניין ברכיבים השונים של האות הדיפרנציאלי. יכולת הבחירה של המצבים מהווה פתרון בדיקה רב עוצמה.

פרובים דיפרנציאליים אקטיביים הפכו כלים נפוצים עבור משתמשי האוסילוסקופים בעלי רוחב הפס הגבוה. הם מספקים מדידות טובות יותר מאשר פרובים single-ended מקבילים וזאת מסיבות רבות. פרובים דיפרנציאליים מיועדים להציג את ההפרש בין שני מתחים, אולם הם אינם מסוגלים לייצג את שני המתחים בנפרד ביחס להארקה. יותר ויותר תקני נתונים מחייבים ביצוע מדידות ברכיבים ה- single-ended וברכיבי ה- common mode של האותות הדיפרנציאליים. מדידות אלה, אשר במהלכן נעשה שימוש בפרובים אקטיביים מסורתיים, מתבררות לעתים קרובות כמסובכות מדי - שכן הן מצריכות פרובים מרובים ושימוש בפונקציות מתמטיות של האוסילוסקופ. היכולת לראות מספר מצבים של האות הדיגיטלי הולכת והופכת לצורך ממשי, אשר אינו מקבל מענה בעת השימוש בפרובים אקטיביים מסורתיים.

פרובי האוסילוסקופים מרובי המצבים החדשים, מספקים מספר מצבים המאפשרים מדידה של מאפיינים single-ended ודיפרנציאליים ושל מאפייני ה common-mode- של האות הדיפרנציאלי דרך חיבור יחיד. הפרוב כולל שני מקורות כניסה - חיובי (A) ושלילי (B) וכן הארקה משולבים בתוך ה- mode multiplexer של ה-ASIC probe amplifier, אשר נשלט דרך ממשק האוסילוסקופ. המצב המתאים ניתן לבחירה באמצעות לחיצת כפתור, כך שניתן לראות כל אחד מרכיבי האות הדיפרנציאלי באמצעות ראש פרוב יחיד המחובר למקור החיובי או השלילי או להארקה.

במצב דיפרנציאלי, הפרוב הרב-מצבי מתוכנת למדידת ההפרש בין צד A לבין צד B, ממש כמו פרוב דיפרנציאלי מסורתי. במצב זה לא נדרש חיבור הארקה להתקן תחת בדיקה (DUT), כיוון שהמוצא תלוי אך ורק בהפרש בין צד A לבין צד B. במצבי A ו-B חד-צדדיים, הפרוב מתנהג כפרוב single-ended ומודד צד אחד של האות הדיפרנציאלי ביחס לאדמה. ב-"common-mode", הפרוב מודד את האות המשותף לצד A ולצד B ביחס לאדמה. מבחינה מתמטית, ניתן להביע זאת כ-(A+B)/2. חיבור להארקת ההתקן תחת בדיקה (DUT) נדרש בכל המצבים, למעט המצב הדיפרנציאלי.

אחד ממצבי המדידה, אשר מייצגים את הרכיבים הנפרדים האידיאליים של ה-pseudo-random bit stream - PRBS הדיפרנציאלי לאחר הדמיה, בתוספת רעשי ה-common-mode. הדמיה זו מיועדת להמחיש את רעש ה-common-mode, שעלול להשפיע לעתים תכופות על האותות הדיפרנציאליים.

התרשימים מציגים את הצדדים הsingle-ended- של האות הדיפרנציאלי, עם הרעש ובלעדיו. היעדר הרעש בתרשים המייצג את המצב הדיפרנציאלי (פינה ימנית עליונה) חושף את יכולתו לדחות רעשים ב- common-mode ואת חוסר יכולתו לאבחן בעיות פוטנציאליות. לבסוף, תרשים ה- common-mode (פינה ימנית תחתונה) הוא המצב היחיד שבו מוצג הרעש כשהוא מופרד מנתוני ה-PRBS

בתדרים גבוהים יותר השגת מדידות מדויקות באמצעות שני פרובים נפרדים עלולה להיות מסובכת וזאת ממספר סיבות. מקור פוטנציאלי לשגיאות עלול להיגרם על ידי הסטייה שבין שני הערוצים. כל נתיב אותות כולל כבל פרוב ארוך וערוצי אוסילוסקופ שונים. אף על פי שניתן להתמודד עם רוב הבדלי התזמון דרך כיול המיועד "ליישר" סטיות, כל ההפרשים בין הנתיבים שמקורם בהשהיות חשמליות יגרמו לשגיאות סטייה. במקרה של אותות מהירים, כל סטייה בין הנתיבים עלולה לגרום לשגיאות משמעותיות באות הדיפרנציאלי המחושב.

אם המקום הפנוי בהתקן הנבדק הינו מוגבל, ייתכן שיהיה קושי פיזי לחבר שני פרובים לנקודה אחת באות הדיפרנציאלי. חשוב למקם את שני הפרובים במיקומים שהנם שווים מבחינה חשמלית על האות הדיפרנציאלי. כל הפרדה בין שני הפרובים תגרום לשגיאות סטייה, הדומות לאלה שנזכרו לעיל. יתר על כן, חשוב להשתמש בסוג זהה של פרוב עבור שני האותות, כדי להבטיח טעינה שווה של שני הצדדים. אי התאמה בטעינה יכולה לעוות את האות הדיפרנציאלי ולצמד את האות למצב המשותף (דהיינו, צימוד מצבים).

כאשר נעשה שימוש בפרובים single-ended לצורך בחינת רכיבים מרובים של האות הדיפרנציאלי, מקור פוטנציאלי נוסף לשגיאות עלול להיגרם על-ידי דחייה לקויה ב- common-mode. במקרה זה, כל סטייה או אי התאמה של אמפליטודות בין הפרובים, כמו גם דחיית ה common-mode של כל פרוב, ממלאות תפקיד בדחיית ה- common-mode הכוללת של המדידות. כיוון שפרובים single-ended נוטים להתאפיין מעצם מהותם בדחייה לקויה ב common-mode-, השגיאות שעלולות להיגרם במהלך מדידות single-ended יכולות להוביל להשפעה שלילית עוד יותר על התגובות המתמטיות במצב הדיפרנציאלי וב- common-mode.

פרובי Multi-mode מתיימרים לתת מענה לרבים מחסרונותיה של גישת ה"פרוב הכפול". שימוש נאות בפרוב מרובה מצבים מצריך הבנה של הפשרות אשר נלוות לכל מצב ושל האופן שבו הן עשויות להשפיע על מדידות הפרוב. ייתכן שכדאי להתייחס לכל מצב מדידה כאל פרוב נפרד ועצמאי, בעל ערכת מאפיינים משלו. עבור כל מצב, הבנה של דפוסי ההתנהגות של הפרוב - כגון היענות תדר, הדירות מדידה ודחייתcommon-mode תוכל לסייע בבחירת המצב הנכון ובביצוע מדידות מדויקות יותר.

ניתוח רוחב הפס של המצב ה-single-ended וה-common-mode של פרוב רב-מצבי הנו שווה ערך לזה של פרוב single-ended אקטיבי מסורתי. שני מצבים אלה משמשים למדידת האות ביחס לאדמה ולפיכך מצריכים חיבור פיזי להארקת ה-DUT. בעת שימוש במודלים מופשטים של מקורות כניסה, ההשראות (inductance) המובנית בעכבת ההארקה (ground lead impedance lg1, lg2, & lg3) גדלה במקביל לעליית התדר.

בתדרים גבוהים יותר, מתפתח מתח בין הארקת ה-DUT לבין הארקת מגבר הפרוב. המתח שנוצר בהארקת המגבר מפחית את האות האפקטיבי במבוא המגבר ובסופו של דבר גורם להקטנת רוחב הפס של הפרוב. סביר להניח כי רוחב הפס הנמוך יותר יגרום ל-ringing במוצא הפרוב כתוצאה מכך שזמן העלייה של האות גבוה מרוחב הפס של החיבור. חיבור הארקה קצר יותר יפחית את השראות ראש ההארקה וכך יגדיל את רוחב הפס.

יחס הדחייה של ה common-mode CMRR הוא מאפיין פרוב נוסף, אשר שונה מאוד במצב ה-single-ended ובמצב הדיפרנציאלי. במצב הדיפרנציאלי, האות המשותף לצד הפלוס ולצד המינוס אינו אמור להיות בעל תפוקה כלשהי. במצב ה-single-ended, האות המשותף למבוא ולהארקה אינו אמור לחולל תפוקה. גם במקרה זה, חיבור ההארקה של הפרוב ה-single-ended מפריע לדחיית ה-common-mode שלו. ה-CMRR של הפרוב ה-single-ended נוטה להיות גרוע יותר בתדרים גבוהים, כאשר העכבה המוגברת של ראש ההארקה מפריעה להיענות. בעת החלת אותcommon-mode הן על האות והן על ההארקה, צד ההארקה של הפרוב יוצר מחלק עכבה (impedance divider) בין ראש ההארקה לבין ה-impedance to ground של סיכוך (shield) הכבל. אות ה- common-mode שבהארקה עובר הנחתה בצורה שונה מאשר אות הכניסה וכך גורם לתרומה שגויה לאות הדיפרנציאלי שבמבוא הפרוב.

במקרה של הפרוב הדיפרנציאלי, ה-CMRR כפוף לאסימטריה כלשהי שמתקיימת לפני המגבר ולפני דחיית ה- common-mode של המגבר עצמו. כדי ליצור את מישור ההארקה הווירטואלי הטוב ביותר, צדי הפלוס והמינוס צריכים להיות סימטריים פיזית ומחוברים למיקומים חשמליים זהים באות הדיפרנציאלי. בדרך כלל, דחיית המוד המשותף של הפרוב הדיפרנציאלי גדולה יותר מאשר זו של הפרוב ה-single-ended, במיוחד בתדרים גבוהים יותר.

במקרה של מדידת ה-common mode, יש להתמקד ביחס הדחייה של המוד הדיפרנציאלי (DMRR) ולא ב-CMRR. במצב זה, הפרוב מודד את האות המשותף לאותות הפלוס והמינוס. עליו לדחות את הרכיבים הדיפרנציאליים של האותות. ה-DMRR הוא המאפיין המשלים של ה-CMRR. במקרה זה, עכבת ראש ההארקה של הפרוב תבצע הנחתה של אות ההארקה בכניסת המגבר, בדומה למצב המתואר עבור הפרוב ה-single-ended. עם זאת, כיוון שמגברי צד הפלוס והמינוס מתחברים להארקה אחת, הם מתאפיינים בשגיאה דיפרנציאלית זהה. שגיאה זו מוסרת באמצעות דחיית המוד הדיפרנציאלי בשלבים הבאים של מגבר הפרוב.

בשוק קיימת דרישה הולכת וגוברת לניראות גבוהה יותר של הרכיבים השונים אשר כלולים באותות הדיפרנציאליים, שתסופק על-ידי פרובי האוסילוסקופים. באופן מסורתי, מדידות אלה הצריכו שימוש במספר פרובים, שהיו מועדים לשגיאות. הפרובים רבי המצבים החדשים מאפשרים למשתמשים לראות אותות דיפרנציאליים, single-ended ו"common-mode" באמצעות חיבור פיזי יחיד.

בכל יישום הכרוך בהתעניינות ברכיבים השונים של האות הדיפרנציאלי, פרובים אלה מספקים ניראות משופרת של הרכב האות. בין אם מדובר בבחינת ה- common-mode לצורך אימות פעולה בסיסית, או בדיקה של מחצית האות הדיפרנציאלי - יכולת הבחירה של המצבים מהווה פתרון בדיקה רב עוצמה. הבנה נאותה של דפוסי ההתנהגות במצבים השונים מבטיחה ניצול היתרונות המלאים של פרובים חדשים אלה.

Ned Brush הוא מהנדס פיתוח חומרה בחברת Agilent Technologies.

You might be interested also