Medir RDS(on) con osciloscopios de alta definición

Su misión

Para calcular el R_DS(on) de un MOSFET trabajando en modo inverso, es necesario medir la corriente de drenador y la tensión entre drenador y surtidor. No obstante, debido a una tensión entre drenador y surtidor elevada en el estado desactivado y a los picos de la conmutación, es difícil medir el valor relativamente pequeño de la tensión entre drenador y surtidor en el estado activado con la resolución típica de 8 bit de un osciloscopio estándar. Además, las deficiencias en la compensación de la sonda y una técnica de sondeo incorrecta pueden distorsionar de forma significativa la señal y producir resultados de medida incorrectos, aunque el osciloscopio disponga de la gama dinámica necesaria.

Solución de test y medida

Con el osciloscopio digital R&S^®RTO/R&S^®RTE, la opción de software R&S^®RTO-K17/R&S^®RTE-K17 y las técnicas de sondeo correctas, es posible medir la tensión entre drenador y surtidor para el RDS(on) en condiciones de gama dinámica elevada. Gracias al filtrado digital de paso bajo, se consigue una resolución vertical de hasta 16 bit, se reduce el ruido y se incrementa la relación señal/ruido. El usuario puede limitar el ancho de banda (bandas seleccionables) entre 1 GHz y 10 kHz (entre 10 bit y 16 bit). Esto permite apreciar pequeños detalles en la señal como la tensión entre drenador y surtidor en aplicaciones de alimentación en modo conmutado que, de otro modo, quedarían ocultas por el ruido.

Aplicación

Técnica de sondeo correcta y compensación de la sonda para medidas de precisión

Al medir señales con componentes de alta frecuencia, un aspecto clave del sondeo es mantener el «bucle» formado por las conexiones de la sonda (patilla de señal y conexión a masa) tan corto como sea posible. El extremo accionado mediante resorte de la sonda pasiva del R&S^®RT-ZP10 junto con los contactos de masa con resorte proporcionan un contacto seguro con un acoplamiento mínimo de ruido e interferencia sobre la señal medida. Por este motivo permite sondear directamente las patillas y el sustrato del MOSFET. La compensación precisa de la sonda es también muy importante para las medidas de alta resolución. Una compensación deficiente de la sonda introduce errores de medida y producen una lectura imprecisa que también puede influir sobre las medidas diferenciales como se sugiere aquí. En medidas donde ninguna de las patillas del MOSFET está conectada a masa, es necesario utilizar una sonda diferencial activa. La sonda diferencial activa R&S^®RT-ZD10 1 GHz resulta especialmente útil aquí ya que incluye un atenuador adicional de 10:1 que extiende el intervalo de tensión de la sonda hasta 70 V CC/46 V CA (pico).

Análisis de los más pequeños detalles de la señal en el modo de alta definición

La opción de alta definición R&S^®RTO-K17/R&S^®RTE-K17 ofrece al usuario una forma muy flexible de aumentar la definición de un osciloscopio digital R&S^®RTO/R&S®RTE. La opción de software utiliza filtrado digital para aumentar la resolución del osciloscopio. Es posible conseguir una definición máxima de 16 bit que permite el análisis detallado, incluso en condiciones de gama dinámica extremadamente elevada. Es posible configurar con rapidez el modo de alta definición en muy pocos pasos:

• Pulse el botón «Mode»
• En la pestaña «Acquisition», pulse «Option Mode» y seleccione «High definition»
• Ajuste el ancho de banda según sea necesario. Se muestra automáticamente la definición resultante

El ancho de banda seleccionado debe ser tan bajo como sea necesario para obtener una definición suficiente, pero tan alto como sea posible para minimizar la distorsión de la señal debida al filtrado. El ancho de banda idóneo de medición se debe determinar en cada caso.

Evitar problemas de desplazamiento en el cálculo de RDS(on)

La medida a niveles de tensión tan diferentes requiere algunos pasos adicionales para alcanzar el resultado correcto. La precisión de desplazamiento de los osciloscopios ya no es suficiente para que con solo dividir la tensión entre drenador y surtidor en el MOSFET por la corriente de drenador se pueda calcular el valor de R_DS(on). Y si se utilizan sondas Rogowski para medir la corriente en la patilla del drenador del MOSFET, solo es posible medir la componente CA de la corriente de drenador. La medición de corriente resultante en el osciloscopio tendrá por tanto un desplazamiento de CC.

Este problema se solventa aprovechando el hecho de que la corriente de drenador presenta una pendiente constante o casi constante durante un determinado intervalo de tiempo mientras el MOSFET está en estado activado. Esto sugiere utilizar un método diferencial para calcular el R_DS(on) en modo de alta definición:

• Ajuste la escala vertical del osciloscopio de manera que la tensión máxima entre drenador y surtidor incluyendo los picos no supere el intervalo de tensión de entrada del osciloscopio. En caso contrario, los efectos de sobrecarga y saturación degradarán la precisión de la medida de la tensión entre drenador y surtidor
• Utilice el modo zoom para visualizar la tensión entre drenador y surtidor de manera que quede claramente visible la pendiente de la tensión entre drenador y surtidor
• Active el promedio de trazas para eliminar cualquier resto de ruido o interferencias no deseadas
• Mida la pendiente de la tensión entre drenador y surtidor para conseguir Δu_D
• Mida la pendiente de la corriente de drenador del MOSFET en el mismo intervalo de tiempo que Δu_D para conseguir Δi_D
• Calcule R_DS(on) dividiendo Δu_D entre Δi_D

La captura de pantalla ilustra la medida.

Resumen

La opción de alta definición R&S^®RTO-K17/R&S^®RTE-K17 permite medir detalles de la señal que se perderían entre el ruido de los osciloscopios típicos de 8 bit. Es posible medir parámetros como el R_DS(on) en aplicaciones de alimentación en modo conmutado donde la señal medida presenta una elevada gama dinámica. Es necesario tener cuidado y utilizar las técnicas de sondeo adecuadas y la compensación correcta de la sonda, ya que estos dos factores pueden introducir errores significativos en el resultado de una medición. Se recomienda verificar el resultado de las medidas que tengan esta elevada dinámica, realizando la medida en varias condiciones para garantizar su precisión.