Qu’est-ce qu’une sonde différentielle ?
Une sonde différentielle est un dispositif qui détecte le bruit généré à partir d’endroits non liés à l’appareil qui transmet le signal, comme les vibrations du sol, appelées bruit commun, lors de la mesure de signaux avec des oscilloscopes, etc.
Dans les communications telles que l’USB et le HDMI, cela est nécessaire pour que le côté sortie puisse détecter le signal avec précision. Les sondes différentielles peuvent être endommagées ou ne pas fournir une sortie précise si elles ne sont pas utilisées correctement.
Les sondes différentielles sont souvent disponibles auprès de la même société que celle qui vend les oscilloscopes. Il est conseillé d’acheter une sonde différentielle auprès de la même société que l’oscilloscope, car elles disposent d’une excellente connectivité.
Utilisations des sondes différentielles
Les sondes différentielles sont utilisées dans les phases de fabrication des prototypes et de test des produits de nombreux dispositifs de communication, tels que les connexions USB, HDMI, DisplayPort, Ethernet et SATA, pour détecter le bruit avec les oscilloscopes et d’autres équipements et pour déterminer si le bruit a un effet sur le produit, et où il en a un. La sonde différentielle est utilisée pour vérifier si le bruit a un effet sur le produit et à quel endroit il l’affecte.
Les sondes différentielles sont souvent coûteuses, il est donc important de bien vérifier si elles répondent aux normes d’utilisation avant de les acheter.
Principe des sondes différentielles
Une sonde différentielle se compose de deux sondes actives ayant exactement les mêmes propriétés, dont l’une est reliée à la borne positive de la connexion de l’appareil transmettant le signal à mesurer et l’autre à la borne négative. En mesurant la différence entre les signaux détectés par ces deux sondes, il est possible de détecter un bruit commun.
De nombreuses sondes différentielles sont disponibles avec des caractéristiques ingénieuses qui facilitent la mesure des formes d’onde sur un oscilloscope. Il s’agit notamment d’amplifier les signaux à faible tension à l’aide d’amplificateurs pour les rendre plus faciles à mesurer sur un oscilloscope, de mettre certaines tensions à la terre pour éviter de surcharger l’oscilloscope avec des signaux à haute tension et de faire en sorte que le signal soit une onde carrée claire.
Selon le signal pour lequel la sonde différentielle est utilisée, un bruit clair peut être mesuré s’il est sélectionné de manière appropriée.
Autres informations sur les sondes différentielles
1. Circuit équivalent d’une sondes différentielles
Les sondes différentielles sont constituées de deux sondes actives, qui sont connectées directement de la pointe de la sonde à l’extrémité d’entrée du circuit semi-conducteur, de sorte que la capacité d’entrée peut être aussi faible que 1 pF, ce qui est extrêmement réduit. D’autre part, contrairement aux sondes passives qui impliquent un atténuateur, la résistance d’entrée est de l’ordre de dizaines de KΩ à 1 MΩ.
Par conséquent, lorsqu’on mesure des formes d’onde en connectant une sonde différentielle à un circuit à haute impédance, il est nécessaire de considérer les résultats de la mesure à la lumière de l’influence de la sonde. Un moyen efficace d’y parvenir consiste à connecter le circuit équivalent de la sonde différentielle au circuit testé et à en simuler les effets.
Dans le cas d’une sonde différentielle, entre les broches d’un côté et GND, la résistance d’entrée et la capacité d’entrée publiées par le fabricant sont connectées en parallèle. De même, entre l’autre broche et GND, la résistance d’entrée et la capacité d’entrée sont connectées en parallèle. Ainsi, entre les deux broches de la sonde différentielles, la résistance d’entrée est doublée et la capacité d’entrée est divisée par deux. L’effet de cette impédance sur le circuit testé doit être pris en compte lors de l’évaluation des résultats de la mesure.
2. Sondes actives
Les sondes sont utilisées pour mesurer des signaux stables. Sans sonde, l’effet de la composante capacitive du câble modifierait le fonctionnement du circuit. Cela a un effet particulièrement important sur les mesures à haute fréquence.
Les sondes actives utilisent un élément semi-conducteur à l’extrémité de l’entrée. La capacité d’entrée de la sonde active elle-même est également très faible, certaines ayant une capacité d’entrée inférieure à 1 pF.
La capacité d’entrée de la sonde affecte également la forme d’onde. Les sondes passives ont une composante de capacité plus importante que les sondes actives, ce qui se traduit par une oscillation plus importante de la forme d’onde sur le front montant de l’impulsion.
3. Sondes différentielles haute tension
Les sondes différentielles conviennent à l’observation des portions de signaux flottants. Cependant, les sondes courantes ne supportent que des tensions de 30 V à 100 V, tant pour les tensions différentielles que pour les tensions de masse. De grandes sondes haute tension sont nécessaires pour mesurer les points d’état flottants dans les circuits qui gèrent des tensions élevées, tels que les alimentations commerciales. Des spécifications avec des tensions différentielles de 6 000 V ou plus et des tensions de masse de 2 000 V ou plus sont disponibles dans le commerce.
Lors des mesures effectuées à l’aide de sondes différentielles à haute tension, la distance entre les deux broches doit être suffisamment éloignée pour éviter tout risque de décharge. De ce fait, l’impédance des fils fait apparaître une sonnerie dans la gamme des hautes fréquences, ce qui se traduit par des fluctuations d’amplitude importantes. Pour y remédier, la torsion des deux fils de connexion est une méthode efficace.
4. Bruit de mode commun
Le bruit dans les circuits électriques peut être divisé en deux grandes catégories : le bruit en mode différentiel et le bruit en mode commun. Le bruit de mode différentiel est le bruit conduit par les conducteurs dans un circuit.
Le bruit de mode commun, quant à lui, est un bruit où le signal est partiellement reconduit à travers la terre ou l’enceinte, et où le signal d’entrée et le signal de retour sont en phase. Le bruit de mode commun est considéré comme difficile à contrer en raison de la complexité de la propagation du bruit.
Les sondes différentielles haute tension sont utilisées comme un moyen très efficace de tester le fonctionnement des alimentations à découpage. Les régulateurs à découpage génèrent un bruit de mode commun lorsque la tension de masse fluctue de plusieurs centaines de volts.
Bien que l’utilisation de sondes différentielles doive annuler les fluctuations de la tension de terre et permettre de les observer, il est inévitable, dans la pratique, qu’une petite partie des fluctuations de la tension de terre soit ajoutée à la sortie différentielle. Pour réduire l’effet de ces fluctuations, il convient de choisir une sonde ayant un bon CMRR (Common-Mode Rejection Ratio).