טיפים מקצועיים: כיצד ניתן "לאלף" פרוב סורר ולבצע בדיקה מדוייקת

9 דצמבר, 2012

בעת חיבור הבחון (Probe) למעגל, הוא הופך לחלק בלתי-נפרד מהמדידה ומוסיף לה רכיבי ההתנגדות, קיבוליות והשראות. שימוש מושכל בנתח רשת וקטורי מעניק כלים רבי-עוצמה להתגבר על העיוותים שיוצר הבחון

בעת חיבור הבחון (Probe) למעגל, הוא הופך לחלק בלתי-נפרד מהמדידה ומוסיף לה רכיבי ההתנגדות, קיבוליות והשראות. שימוש מושכל בנתח רשת וקטורי מעניק כלים רבי-עוצמה להתגבר על העיוותים שיוצר הבחון

מאת: קיפנג קליפורד הו וג'יי-יונג צ'אנג, Agilent Technologies

בחון פרובבחון (Probe) אידיאלי של אוסילוסקופ אמור לספק העתק מדויק של האות הנבדק. אולם במציאות הבחון הוא חלק מן המעגל מכיוון שהוא מחובר ליחידה הנבדקת  (UUT) ומהווה מרכיב במכלול עומסי ההתנגדות, הקבליות, אינדוקטיביות ואי-ההתאמות.

במקרים קיצוניים, הבחון יכול לגרום להתנהגות לא רצויה של ה-UUT ואף לכשלים באלגוריתמים מבוססי הליניאריות של ה-de-embedding. אפקט העומס הלא-אידיאלי על ה-UUT עלול להטיל מגבלות על רוחב הפס ועל מידת השטיחות המאפיינת את היענות התדר של הבחון ב-frequency domain, ואף לגרום לתופעות לוואי בלתי רצויות כמו תגובת-יתר (overshooting), "צלצול" והיסט DC ב-time domain.

AGILENT PROBE
השפעת עומס הבחון על אות האבזר הנבדק (UUT): תגובת מדרגה (step response) של step generator כאשר הבחון מחובר וכאשר אינו מחובר

המאמר מסביר כיצד ראוי לבצע מדידה מדויקת של עומסי בחון או של עכבת הכניסה (insertion impedance) בבחון. ניתן להשתמש בעכבה הנמדדת כדי לבנות מודלים מעגליים שווי ערך לצורך הערכת הפרמטר הפרזיטי, או להשתמש ישירות במדידה באמצעות אלגוריתמי de-embedding, כדי למנוע את אפקט העומס הנובע מהבחון. המאמר גם מאפשר להבין טוב יותר את מגבלות הבחון ואת הדרכים לצמצום השפעת רכיבי המעגל הלא-רצויים (parasitics).

עומסי בחון שונים

העומסים על הבחון משתנים בטווחי תדרים שונים. איור 2 מציג עומס אופייני של יחידה תחת בדיקה העושה שימוש בבחון מתח בעל עכבה גבוהה, וזאת כאשר הבחון מחובר לנתיב הכניסה 1MΩ של האוסילוסקופ.

AGILENT PROBE
פרופיל אופייני של עומסי בחון, עבור בחון של סקופ

עומס התנגדותי (Resistive Loading)

בתדרי DC או בתדרים נמוכים יותר, העומס העיקרי נובע מהתנגדות הכניסה של הבחון. העומס ההתנגדותי משפיע בעיקר על פרמטרי DC כמו דיוק אמפליטודת ה-DC, היסט ה-DC ושינוי מתח המקדם (bias voltage). עומס זה הינו משמעותי עבור בחונים בעלי מחלק נגד (resistive divider) בעלי עכבה נמוכה (הבחון הפסיבי  Agilent N2874A למשל, הוא בעל עכבת כניסה של 500Ω).

כאשר נעשה שימוש בבחון בעל עכבה נמוכה לצורך בדיקת מעגל בעל עכבה זהה או גבוהה יותר, חלק גדול מהזרם העובר במעגל לא יגיע לבחון ובכך יפחית את רמת המתח בנקודה הנבדקת. כדי להימנע מעומס התנגדותי, נדרשת עכבת כניסה גבוהה יותר. לעתים נעשה שימוש בקבל חוסם מתח DC. מתח ה-DC החסר מאוחזר על-ידי הבחון בעל העכבה הגבוהה.

עומס קיבולי (Capacitive loading)

החל ב-RC corner frequency וכלה ב-LC resonance frequency, עומס היחידה הנבדקת מושפע בעיקר מהעומס הקיבולי, המתעצם ככל שהתדר עולה. הוא נגרם על-ידי הפחתת העכבה של קבליות הבחון בתדרים גבוהים יותר. הוא מסיט את אותות התדרים הגבוהים לארקה, ומפחית במידה משמעותית את עכבת הכניסה של הבחון, ככל שהתדר עולה. עומס זה משמעותי עבור בחונים פסיביים גבוהי עכבה. הוא מגביל במידה ניכרת את רוחב הפס של הבחון ומאט את מהירות הקצה של האות. בחונים בעלי רוחב פס גדול יותר דורשים קיבוליות נמוכה בכניסה, אשר מושגת בדרך-כלל באמצעות גיאומטריות מיוחדות, חומרים/רכיבים בעלי k נמוך, ותהליכי הרכבה נאותים.

עומס אינדוקטיבי (Inductive loading)

בטווח שמעל לתדר התהודה הראשון ומתחת לתדר התהודה השני, עומס היחידה שתחת בדיקה הוא בעיקר אינדוקטיבי במהותו. עומס זה מעוות את האות הנמדד, אם תהודת ה-LC נמוכה מרוחב הפס של הבחון. מקור העומס הוא בהשראות הלולאה שנוצרת בין חוד האותות של הבחון לבין חוד ההארקה שלו. השטף המגנטי (magnetic flux) יוצר מתח מושרה בלולאה. משרן פרזיטי זה בשילוב ההתנגדות והקבליות של המעגל בכללותו, יוצר תדר תהודה אופייני בתחום:

AGILENT PROBEאם תהודה עצמית זו לא תרוסן, היא עלולה לגרום לתגובת-יתר (overshoot) משמעותית בהיענות התדר של מערכת הבחון, ולעיוות האות הנמדד. אפקט העומס האינדוקטיבי מופיע בדרך כלל כ"צלצול" בצורת הגל המוצגת במסך הסקופ. מקור הצלצול הוא מעגל ה-LC, אשר כולל את הקיבוליות הפנימית ואת lead ההארקה של הבחון, וכן השראות חוד הבחון. השראות ההארקה כוללת השראות של חוטי Jumper שהולחמו אל הלוח, או של הדקי "קרוקודיל" שחוברו לצורך הקלת השימוש בבחון.

ההשראות של נתיב הארקה אופייני היא ננו-הנרי אחד למילימטר. מדובר ב-25nH בקירוב עבור lead הארקה של 2.54 ס"מ. לדוגמה, בחון בעל קיבוליות של 9.5pF ו-lead הארקה של 15 ס"מ, יכול (בהתאם לנוסחה) לגרום "צלצול" בתדירות של כ-133MHz. לכן בחון כזה, במדידת צורת גל שזמן העלייה שלה פחות מכ-2.63nsec, עלול לגרום ל"צלצול" בצורת הגל הנמדדת. כדי למזער את השפעת העומס האינדוקטיבי על השימוש בבחון, מומלץ להשתמש ב-lead הארקה קצר ככל האפשר.

AGILENT PROBE
בחון בעל קיבוליות של 9.5pF ו-lead הארקה של 15 ס"מ, יכול לגרום לצלצול בתדר של 133MHz~

בנוסף לבחוני מתח, גם בחוני זרם מבוססי הדקים יכולים לגרום לטעינה אינדוקטיבית. ההשראות ההדדית שמתקיימת בין היחידה הנבדקת לבין סליל השנאי שבבחון הזרם, יוצרת עומס אינדוקטיבי על ה-UUT. בדרך כלל, השראות הדדית זו הנה קטנה ביותר ויוצרת עומס מופחת בהרבה מאשר בחוני מתח.

עומסי אי-התאמה (Mismatch loading)

עומסי אי-ההתאמה נעשים משמעותיים יותר כאשר אורך הגל שווה לאורך הכבל או פחות ממנו (בדרך כלל, מעל לתדר התהודה השני). יש להתייחס אל מערכת הבחון כאל קו תמסורת ולא אל מודל RLC מן המעלה הראשונה. לפיכך, עכבת הבחון משתנה עם התדר והדבר נתפס כתהודות בהיענות התדר (כמתואר באיור השני). אי-ההתאמה יכולה להופיע בכל מקום, מקצה הבחון ועד לכניסת ה-ADC של הסקופ, וגורמת להחזרת גלים מרובים.

מכאן שככל שהכבל ארוך יותר, תדר התהודה נמוך יותר. כדי לקדם את תדר התהודה לטווח תדרים גבוה יותר, המגבר שבקצה הבחון מיועד לקדם את הכבל באופן שממזער את נתיב האותות הבלתי מותאמים שמוביל מקצה הפרוב אל המגבר בעל עכבת הכניסה הגבוהה. זו אחת מהסיבות שבחונים פעילים מתאפיינים ברוחב פס גבוה יותר מאשר בחונים פסיביים. עומסי אי-ההתאמה בתדרים הגבוהים ניתנים למניעה גם באמצעות מסנן דיגיטלי אשר קיים בסקופים מודרניים.

כיצד למדוד עומסי בחון

אם ברצונך לקבל מושג כיצד הבחון מעמיס את המערכת שלך, תוכל לעשות כן בקלות. ניתן להשתמש בטכניקת "double probing". ראשית, בחר בבחון שבו ברצונך להשתמש וחבר אותו לאות step ביעד שלך. שמור את צורת הגל לצורך ייחוס בסקופ. לאחר מכן, קח בחון נוסף וחבר אותו לאותה נקודת בדיקה. הבחון השני חייב להיות בדיוק אותו בחון, בצירוף אותם אביזרי חיבור (כמתואר באיור למטה). ניתן לראות כיצד העקבה המקורית משתנה במהלך הביחון הכפול (double probing). מדובר בדרך קלה ומהירה לבדיקת השפעת עומס הבחון על המערכת, מבלי להשתמש בציוד בדיקה יקר.

AGILENT PROBE
ניסויי "double probing" מספקים הערכה מהירה של השפעת עומסי הבחון

במסך הסקופ (כפי שמוצג באיור הבא), העקבה הצהובה היא האות שנמדד באמצעות בחון יחיד. לאחר ביצוע "ביחון כפול" של האות (עקבה אדומה), ניתן לראות כי על האות מוטל עומס שמקורו בבחון הנוסף שחובר. במקרה זה, ברור כי העומס מאט את זמן העלייה של האות והופך את קצה האות לקהה מעט, בגין השפעתו של עומס הבחון. כתוצאה מכך, יצומצם גם רוחב הפס של המדידה הנבחנת. באמצעות ה"ביחון הכפול" המבוצע באות מוכר, ניתן לראות בקלות את שיעור העומס שהבחון מטיל על המעגל שלך.

AGILENT PROBE
העקבה האדומה מייצגת את האות שעליו מוטל עומס על-ידי שני בחונים מצורפים

כעת נבחן דרכים מורכבות יותר למדידת עומסי בחון. כדי לראות כיצד נראים עומסי הבחון או עכבת הבחון מקצה הבחון ועד לסקופ, תחילה יש לחבר את הסקופ לכניסת אוסילוסקופ תואמת.

בתדרי DC מומלץ להשתמש במדידת "קלווין" המבוססת על 4 נקודות (four-wire Kelvin), להשגת תוצאות מדויקות בהתנגדות כניסה נמוכה. בעת מדידת התנגדות גבוהה, עליך להקפיד במיוחד על התהילך: עלולות להיגרם שגיאות בגין השפעות settling time (זמן ההתייצבות), פיזור הספק והתנגדות פנימית בלתי מספקת. במקרה זה כדאי להשתמש בהתקן מדידה של התנגדות גבוהה (לדוגמה, Agilent 4339B) במקום במולטימטר רגיל. למידע נוסף אודות מדידות התנגדות ב-DC, ראה הערת המוצר:

Resistance, DC Current, AC Current, and Frequency and Period Measurement Errors in Digital Multimeters [2].

בסביבות ייצור ניתן להשתמש בנוחות במדי LCR לצורך הערכת/בדיקת ערכי קיבוליות, התנגדות והשראות בכניסה, במודל שווה-ערך שהוגדר מראש ובתדרים שנעים בין DC לבין כמה MHz. יש למקם את חודי הבחון באופן זהה לחלוטין למיקומם על היחידה תחת בדיקה. עם זאת, לא ניתן להשתמש בשיטה זו לצורך ביצוע מדידות עכבה של עומסי אי-התאמה, מכיוון שתדירות הגירוי (stimulus frequency ) המועבר על-ידי מודדי LCR אינה גבוהה דיה ומודל המעגלים שווה-הערך אינו מספיק לתיאור ההתנהלות בתדר גבוה.

העכבה המאפיינת את הטווח שבין רמת ה-Hz לבין כמה GHz ניתנת להשגה באמצעות נתח עכבות או שניתן להמירה ל-S parameters, הנמדדים בנתח רשת. השימוש בנתח עכבות הוא קל ופשוט. מידע נוסף אודות הנושא מצוי בהערת המוצר:

Impedance Measurement Handbook -A Guide to Measurement Technology and Techniques [4].

המגבלה נובעת ממתקן הבדיקה עצמו, אשר מיועד לרוב לבדיקת רכיבים. באופן כללי, נתח העכבות אינו גמיש כמו נתח רשת וקטורי (VNA) במונחים של עבודה בסביבות שונות של עומסי בחון. נתחים וקטוריים מתאפיינים בטווחים דינמיים גדולים במיוחד, והדבר מאפשר להם לבצע מדידות מדויקות, החל בעכבות קטנות מאוד ועד לעכבות גדולות, על פני טווח תדרים רחב.

התקן הבדיקה יכול להיות פשוט ולהסתכם בקו תמסורת של 50Ω  המשמש להזנה (feed-through). לדוגמה, התקני אימות הביצועים וה-de-skew מדגמי Agilent E2655B או N5443A. ניתן לגזור את הקיבוליות וההתנגדות של הכניסה מתדר תהודת ה-RC הראשון ואת השראות הכניסה מתדר תהודת ה-LC הראשון בעקומת העכבות. בנוסף, ה-VNA יכול להראות גם את תדירות התהודה של עומס אי-ההתאמה ואת האמפליטודה שלה, ישירות בפורמט של מספרים מרוכבים, שיכול לשמש את אלגוריתמי ה-de-embedding באוסילוסקופים מודרניים, לצורך ביטול השפעות העומסים.

קיימות שלוש דרכים שונות שבהן ניתן לבצע את מדידות ה-VNA:

1. בחון מחלק-נגד:

השתמש בבחון בעל מחלק-נגד (כמו הבחון הפסיבי Agilent N2874A, 1.5GHz, 500Ω, 10:1). הבחון נמוך העכבה בעל מחלק-הנגד מתאפיין בעומס קיבולי נמוך ובפס רחב. הוא מספק מדידות תזמון מדויקות ומחירו נמוך יחסית בהשוואה לבחונים אקטיביים. ניתן לבצע מדידות S11 בפורט יחיד לצורך ביצוע מדידות עכבה עבור סוג בחון זה. המר את ה-S11 לעכבת הכניסה באמצעות הנוסחה:

AGILENT PROBEשיטה זו פשוטה ונוחה ודורשת כיול של פורט אחד בלבד. מומלץ להשתמש בה לאיפיון עכבת כניסה של 50Ω, כיוון שהיא מתאפיינת ברגישות מרבית. עם זאת, כאשר Zin גדול בהרבה מ-50Ω, נוטה S11 להיות מקורב ל-1. הגל הנכנס (incidental wave) זוכה להשתקפות כמעט מלאה. לדוגמה, כאשר העכבה היא 0.1ohm, אזי 99.6% מן הגל הנכנס משתקפים, וה-VNA עלול לאבד רזולוציה בגלל הגבלת סיביות הדגימה. כדי לנצל את הטווח הדינמי של ה-VNA במלואו, יש להשתמש במדידות של שני פורטים.

2. בחון דיפרנציאלי בעל עכבה גבוהה:

השתמש בבחון דיפרנציאלי בעל עכבה גבוהה (כמו למשל הבחון האקטיבי Agilent InfiniiMax 1169A 12GHz עם עכבת כניסה של 50KΩ). בדרך-כלל התנגדות הכניסה של בחון המתח נבנית ברובה בטווח שבין מספר קילו-אוהם לבין כמה מאות מגה-אוהם, כדי שניתן יהיה להתגבר על בעיות העומס ההתנגדותי ובהתאם לצורכי היישומים של מדידת מתח גבוה. מדידה שעושה שימוש בשני פורטים יכולה למקסם את ניצול הטווח הדינמי המלא של ה-VNA. יש למקם את חודי הבחונים לרוחב הקצוות הפתוחים של עכבת ה-50Ω, ולהפעיל את פונקציית הרחבת הפורטים (port extension) של ה-VNA כדי להבטיח כי מישורי הכיול ימוקמו בקצוות פתוחים אלה, כמתואר באיור למטה.

AGILENT PROBE
התקנת בדיקה תוך שימוש בבחון גבוה עכבה

ה-S21 הנמדד הוא הטווח הדינמי המלא של ה-VNA. המר את ה-S21 לעכבת הכניסה באמצעות המשוואה הבאה:

AGILENT PROBEהחיבור מסוג Z מצריך חיבור בצורת אדמה צפה (floating ground) על מנת למנוע קיצור של אותות בדיקה. לכן הוא מומלץ במיוחד למדידת עומסי הבחון הדיפרנציאלי. לצורך בדיקת בחונים חד-קצוויים (single-ended), יש לחבר לקצהו של הבחון עומס תואם. אם היחידה הנבדקת מחוברת לאוסילוסקופ, יש לנתק את האוסילוסקופ כדי למנוע חיבור הארקה כלשהו. אם לא כן, זרם הזליגה שב-chassis ground  עלול לגרום לשגיאות משמעותיות באינטרפולציה של העכבה בתדרים נמוכים.

3. בחון דיפרנציאלי בעל עכבה נמוכה:

השתמש בבחון בעל עכבה נמוכה (כמו למשל בחון זרם AC/DC מדגם Agilent N2783A, מסוג clamp-on). לעתים עכבת העומס נמוכה במיוחד וקשה למדוד אותה. לדוגמה, הדק את בחון הזרם AC/DC לחוט ה-UUT. העומס עשוי להיות נמוך, עד כדי pH בודדים. במקרה זה במקום להשתמש בחיבור Z, עבור לחיבור Y כדי שניתן יהיה למדוד את S21 באמצעות הטווח הדינמי המלא של ה-VNA. כדי למדוד את עכבת ה-insertion מתוך הצבת למדידת זרם AC/DC, יש להלחים את החוט שעבר דרך ראש בחון הזרם מיציאת הבדיקה אל ההארקה, כמתואר באיור למטה.

AGILENT PROBE
בדיקה המבוססת על בחון בעל עכבה נמוכה

לאחר מכן, ניתן למדוד את עכבת ה-insertion מתוך S21 באמצעות הנוסחה:

AGILENT PROBEהתקנה זו מאפשרת למדוד במדויק עכבות נמוכות עד כדי 1mΩ וכן את ההשראויות הנמצאות בטווח ה-pH.

סיכום

בעת חיבור הבחון למעגל, הבחון הופך לחלק בלתי-נפרד מהמדידה ומוסיף עומס למעגל. רכיבי ההתנגדות, קיבוליות והשראות שבבחון יכולים לשנות את היענות המעגל הנבדק. מאמר זה הציג דרכים שונות לביצוע מדידה מדויקת של עכבות ה-insertion. מדי מולטימטר, מדי LCR, נתחי עכבה ונתחי רשת וקטוריים מתאפיינים כל אחד ביתרונות ובמגבלות משלהם. השימוש ב-VNA מהווה את שיטת הבדיקה הרב-תכליתית ביותר. ניתן להתקינו בתצורות שונות, בהתאם לשלל תרחישים.

Share via Whatsapp

פורסם בקטגוריות: חדשות , צב"ד , ציוד בדיקה