¿Qué es una Sonda Diferencial?
Una sonda diferencial es un dispositivo que detecta el ruido generado en lugares no relacionados con el dispositivo que transmite la señal, como las vibraciones de tierra, denominadas ruido común, cuando se miden señales con osciloscopios, etc., y amplifica la señal de medición con un amplificador para facilitar la medición.
En comunicaciones como USB y HDMI, esto es necesario para que el lado de salida detecte la señal con precisión. Las sondas diferenciales pueden dañarse o no proporcionar una salida precisa si se utilizan incorrectamente.
Las sondas diferenciales suelen estar disponibles en la misma empresa que vende osciloscopios, y es aconsejable comprar una sonda diferencial de la misma empresa que el osciloscopio, ya que tienen una excelente conectividad.
Usos de las Sondas Diferenciales
Las sondas diferenciales se utilizan en las fases de fabricación de prototipos y prueba de productos de muchos dispositivos de comunicación, como conexiones USB, HDMI, DisplayPort, Ethernet y SATA, para detectar ruido con osciloscopios y otros equipos y determinar si el ruido tiene algún efecto en el producto, y dónde lo tiene. La sonda diferencial se utiliza para comprobar si el ruido tiene algún efecto sobre el producto y dónde afecta el ruido.
Las sondas diferenciales suelen ser caras, por lo que es importante investigar adecuadamente si cumplen las normas de uso antes de comprarlas.
Principios de las Sondas Diferenciales
Una sonda diferencial consta de dos sondas activas con exactamente las mismas propiedades, una de las cuales se conecta al borne positivo de la conexión del dispositivo que transmite la señal que se desea medir y la otra al borne negativo. Midiendo la diferencia entre las señales detectadas por estas dos sondas, se puede detectar el ruido común.
Existen muchas sondas diferenciales con ingeniosas características que facilitan la medición de formas de onda en un osciloscopio. Entre ellas se incluyen la amplificación de las señales de baja tensión con amplificadores para que sean más fáciles de medir en un osciloscopio, la conexión a tierra de algunas tensiones para evitar la sobrecarga del osciloscopio con señales de alta tensión y la conversión de la señal en una onda cuadrada clara.
Dependiendo de la señal para la que se utilice la sonda diferencial, se puede medir un ruido claro si la sonda se selecciona adecuadamente.
Más Informaciones sobre las Sondas Diferenciales
1. Circuito Equivalente de una Sonda Diferencial
Las sondas diferenciales constan de dos sondas activas, que se conectan directamente desde la punta de la sonda al extremo de entrada de un circuito semiconductor, por lo que tienen una capacitancia de entrada extremadamente pequeña, del orden de 1 pF. Por otro lado, a diferencia de las sondas pasivas que implican un atenuador, la resistencia de entrada es del orden de decenas de KΩ a 1 MΩ.
Por lo tanto, cuando se miden formas de onda conectando una sonda diferencial a un circuito de alta impedancia, es necesario considerar los resultados de la medición a la luz de la influencia de la sonda. Un medio eficaz de hacerlo es conectar el circuito equivalente de la sonda diferencial al circuito sometido a prueba y simular los efectos.
En el caso de una sonda diferencial, entre las patillas de un lado y GND se conectan en paralelo la resistencia de entrada y la capacitancia de entrada publicadas por el fabricante. Del mismo modo, entre el otro pin y GND, la resistencia de entrada y la capacitancia de entrada se conectan en paralelo. Así, entre las dos patillas de la sonda diferencial, la resistencia de entrada se duplica y la capacitancia de entrada se reduce a la mitad. El efecto de esta impedancia en el circuito bajo prueba debe tenerse en cuenta a la hora de juzgar los resultados de la medición.
2. Sondas Activas
Las sondas se utilizan para medir señales estables. Sin una sonda, el efecto de la componente capacitiva del cable modificaría el funcionamiento del circuito. Esto tiene un efecto especialmente fuerte en las mediciones de alta frecuencia.
Las sondas activas utilizan un elemento semiconductor en el extremo de entrada. La capacitancia de entrada de la propia sonda activa también es muy pequeña, y algunas tienen una capacitancia de entrada inferior a 1 pF.
La capacitancia de entrada de la sonda también afecta a la forma de onda. Las sondas pasivas tienen un componente de capacitancia mayor que las sondas activas, lo que produce un mayor anillamiento, que es una oscilación de la forma de onda en el flanco ascendente del impulso.
3. Sondas Diferenciales de Alta Tensión
Las sondas diferenciales son adecuadas para observar porciones de señal flotantes, pero las sondas comunes tienen tensiones soportadas de sólo 30 V a 100 V para tensiones diferenciales y de tierra. Las sondas de alta tensión de gran tamaño son necesarias para medir puntos de estado flotante en circuitos que manejan altas tensiones, como las fuentes de alimentación comerciales. Existen en el mercado sondas con tensiones diferenciales de 6.000 V o más y tensiones de tierra de 2.000 V o más.
En las mediciones con sondas diferenciales de alta tensión, la distancia entre las dos patillas debe ser suficiente para evitar el riesgo de descarga. Como resultado, se produce un zumbido en el rango de alta frecuencia debido a la impedancia de los cables, lo que provoca grandes fluctuaciones de amplitud. Como contramedida, un método eficaz es retorcer los dos hilos conductores.
4. Ruido de Modo Común
El ruido en los circuitos eléctricos puede dividirse a grandes rasgos en ruido de modo diferencial y ruido de modo común. El ruido en modo diferencial es el ruido conducido a través de los conductores de un circuito.
El ruido en modo común, por otro lado, es el ruido en el que la señal se conduce parcialmente de vuelta a través de la tierra o el recinto, y en el que la señal de entrada y la señal de retorno están en fase. El ruido de modo común se considera difícil de contrarrestar debido a la complejidad de la propagación del ruido.
Las sondas diferenciales de alta tensión se utilizan como medio muy eficaz para comprobar el funcionamiento de las fuentes de alimentación conmutadas. Los reguladores conmutados generan ruido de modo común cuando la tensión de tierra fluctúa varios cientos de voltios.
Aunque el uso de sondas diferenciales debería cancelar las fluctuaciones de la tensión de tierra y permitir su observación, en la práctica es inevitable que una pequeña cantidad de la fluctuación de la tensión de tierra se añada a la salida diferencial. Para reducir el efecto de estas fluctuaciones, seleccione una sonda con un excelente CMRR (Common-Mode Rejection Ratio).