Distorsión en modo común de sondas de electrónica de potencia de banda ancha prohibida

Su misión

Al trabajar con semiconductores de potencia de conmutación rápida como dispositivos de banda ancha prohibida (WBG), suelen producirse oscilaciones rápidas y de alto voltaje. El tiempo de subida/bajada de dispositivos como los que se fabrican de nitruro de galio (GaN) tienen un rango de < 2 ns, lo que requiere de una solución de sondeo que cuente con un mayor ancho de banda de hasta 1 GHz. A fin de optimizar la integridad de señal en estas aplicaciones de potencia, el rendimiento de la configuración de la sonda y la respuesta en frecuencia necesitan minimizar tanto la distorsión como la degradación de la señal.

Las sondas diferenciales de alto voltaje, suelen utilizarse para medir señales sin una referencia a tierra en un voltaje de puerta de fuente de lado alto para un convertidor de medio puente. Tenga en cuenta que la relación de rechazo de modo común (CMRR) de estas sondas especialmente a altas frecuencias ayuda a suprimir el ruido de modo común ambiental rápido.

Limitaciones de las sondas diferenciales de alto voltaje convencionales

Una idea equivocada es pensar que las sondas diferenciales estándar están completamente aisladas de tierra en todo su ancho de banda. En realidad, el amplificador diferencial en estas sondas está referenciado a tierra, lo que crea un trayecto de retorno para las señales de modo común cuando se lo utiliza con un instrumento de medición y limita intrínsecamente el rendimiento de su factor de rechazo en modo común. Aunque los cables con conector tipo banana de 4 mm tienen los valores nominales de alto voltaje que se necesitan para realizar mediciones de potencia, carecen de impedancia controlada y de un apantallamiento adecuado, especialmente a frecuencias más altas. Por consiguiente, las sondas diferenciales de alto voltaje convencionales suelen proporcionar anchos de banda de hasta 400 MHz con reducción de ruido modo común limitado de aproximadamente –20 dB. Para cada 10 V de señales de modo común, aparece, en las mediciones, 1 V como ruido.

Rompiendo el bucle de tierra de modo común

A fin de realizar, de manera eficaz, mediciones de dispositivos de potencia de banda ancha prohibida, que operan a voltajes más altos y velocidades de conmutación más rápidas, es esencial un aislamiento galvánico completo entre el dispositivo bajo prueba y el de medición para limitar tanto el trayecto de retorno de modo común como para reducir el ruido. Un enfoque popular para el aislamiento es el acoplamiento inductivo o optoacoplamiento que se utiliza en los osciloscopios de canal aislado.

Sin embargo, los cables largos o sin blindaje pueden introducir ruido a lo largo del trayecto de la señal. La distancia de la sonda al punto de medición del dispositivo debe reducirse. Reemplazar las puntas de sonda tradicionales con puntas coaxiales puede ayudar a mantener una adaptación de impedancias adecuada, así como mejorar la precisión de medición.

Solución de Rohde & Schwarz

Sistema sondeador con aislamiento R&S®RT-ZISO:

• Ancho de banda: de 100 MHz a aproximadamente 1 GHz
• Rango de entrada: ±3540 V (valor nominal)
• Rango de modo común: ±60 kV
• Factor de rechazo en modo común a 1 GHz: 90 dB
• Máxima sensibilidad: rango de ±10 mV

El sistema sondeador con aislamiento R&S®RT-ZISO está diseñado teniendo en mente este enfoque de medición. El cabezal de la sonda se conecta al dispositivo por medio de una punta de sonda coaxial pequeña (MMCX) para blindar las señales medidas del ruido de modo común y mantener una impedancia estable y adaptable, lo que permite a la sonda operar incluso a altas frecuencias de hasta 1 GHz. El cabezal de la sonda convierte las señales medidas a señales ópticas y las transmite a la cámara receptora, esto hace que se rompa el bucle de tierra de modo común y se reduzcan las interferencias durante la medición.

Al caracterizar la entrada de fuente de puerta de banda ancha prohibida, el nodo de comunicación (C3) aplica un voltaje de modo común de conmutación rápida al punto de medición. Al utilizar sondas diferenciales de alto voltaje convencionales, el voltaje de puerta de lado alto (C4, captura de pantalla inferior, lado izquierdo) se ve muy afectado por el ruido de modo común.

El R&S®RT-ZISO captura el mismo voltaje de puerta (C2, captura de pantalla inferior, lado derecho) con flancos de transición ligeramente más rápidos, así como menos ruido. El ruido que se observa en las sondas diferenciales de alto voltaje (C4) tiene una gran perturbación y demora más en estabilizarse. El ruido de modo común puede perturbar y ocultar los detalles de la forma de onda del voltaje de puerta en donde la meseta de Miller y el tiempo de carga que podrían ser de interés.

Resumen

El sistema sondeador aislado R&S®RT-ZISO minimiza el impacto del ruido de modo común de alta frecuencia en las mediciones de potencia de la banda ancha prohibida, a fin de que el rendimiento del factor de rechazo en modo común cumpla con las expectativas en todo el rango de frecuencias de operación. El tipo de conector de la punta de sonda puede afectar al factor de rechazo en modo común general, por lo que se debe incluir requisitos de prueba al diseñar un producto a fin de obtener óptimos resultados de medición.