A Agilent Technologies (www.agilent.com) em seu Application Note 1588 descreve a maneira de se escolher um osciloscópio em função de sua largura de faixa para uma determinada aplicação. Na análise de sinais de altas frequências, esta característica é fundamental para se poder visualizar de forma precisa uma forma de onda. Neste artigo damos o conteúdo principal deste application note que pode ser baixado na versão original em inglês a partir do site da Agilent.
O osciloscópio é um dos instrumentos mais importantes na bancada de trabalhos de todo profissional da eletrônica. Com as aplicações em telecomunicações alcançando cada vez frequências mais elevadas, a escolha de um osciloscópio apropriado torna-se uma tarefa crítica quando se pretende equipar um laboratório. Mais do que isso, mesmo nos laboratórios que possuam diversos destes instrumentos disponíveis, é preciso saber num determinado momento qual deve ser escolhido para uma determinada tarefa.
A Faixa Passante de um Osciloscópio
Todos os osciloscópios respondem a uma determinada faixa de frequências, limitada a um valor máximo que depende das características de seus circuitos. Os osciloscópios típicos para frequências até 1 GHz e abaixo possuem o que se denomina resposta Gaussiana, na qual ocorre uma atenuação suave, conforme mostra a figura 1. As curvas do osciloscópios podem ser comparadas a de um filtro passa-baixas. Assim, a frequência máxima é normalmente determinada para o ponto em que a atenuação é de -3 dB a partir do nível de referência.
Os osciloscópios com especificações de faixa maiores do que 1 GHz têm uma resposta de frequência plana, geralmente do tipo mostrado na figura 2. Veja que o ponto de transição é mais agudo do que no caso anterior.
Existem vantagens e desvantagens para cada um dos dois tipos de osciloscópios. Os osciloscópios com uma resposta plana atenuam sinais na faixa menos do que os que possuem uma resposta Gaussiana. No entanto, os osciloscópios com reposta Gaussiana atenuam menos os sinais que estão fora da faixa de resposta, o que significa que eles possuem tipicamente um tempo de subida mais rápido do que um que tenha uma resposta normalmente plana.
Entretanto, existem aplicações em que é interessante atenuar os sinais que estejam fora da faixa de frequências. Isso fará com que componentes de altas frequências capazes de causar falseamentos sejam eliminados. A Agilent tem no Application Note 1587 um estudo sobre isso. De qualquer forma, é importante sempre conhecer qual é a resposta do osciloscópio, seja ela plana ou Gaussiana. A verificação da largura de faixa de um osciloscópio pode ser feita com a ajuda de um gerador de sinais senoidais que gere sinais de varredura de faixa. A atenuação no ponto de -3 dB normalmente se traduz num erro de amplitude de 30%.
Outra especificação importante para os osciloscópios é o tempo de subida ou "rise time" . Os osciloscópios com uma resposta Gaussiana tem um tempo de subida de aproximadamente 0,35/fbw onde fbw é o limite da faixa de frequências, baseado num critério de 10% a 90%. Osciloscópios com resposta maxima-plana tipicamente têm especificações de tempo da ordem de 0,4/fbw. Uma maneira de se testar o tempo de subida de um osciloscópio é aplicar pulsos que sejam de 3 a 5 vezes mais rápidos do que as especificações do seu osciloscópio para esta característica.
Como uma regra geral, a largura de faixa de seu osciloscópio deve ser pelo menos 5 vezes maior do que o clock digital mais rápido do seu sistema que está sob teste. Se o osciloscópio satisfizer este critério, ele poderá capturar até o quinto harmônico de um sinal com um mínimo de atenuação. Este componente do sinal é muito importante para determinar a forma de onda final de um sinal digital,. Mas se você precisa fazer medidas precisas de frontes de alta velocidade, esta fórmula não vai levar em conta as componentes de alta frequência embutidas nas subidas e descidas dos sinais rápidos. A regra geral é então:
FBW >= 5 x fclk
Um método mais preciso de se determinar a faixa exigida para um osciloscópio é se basear na frequência mais alta presente nos sinais digitais, que não sejam a frequência máxima de clock. Esta frequência será baseada nas maiores taxas de subida e descida das frontes dos sinais. Assim, a primeira coisa que se faz é determinar os tempos de subida e descida dos sinais mais rápidos. Estas informações podem ser obtidas diretamente das folhas de dados dos componentes utilizados.
Passo 1 - Determine as taxas mais rápidas de subida e descida dos sinais
A seguir, num segundo passo pode-se utilizar a fórmula sugerida pelo livro High Speed Digital Design - A Handbook of Black Magic. Estas fórmulas são:
Passo 2 - Calcule fknee
fknee = 0.5 / RT (10% - 90%)
fknee = 0.4 / RT (20% - 80%)
fknee = frequência "de joelho"
Para sinais com características de tempo baseadas em limiares de 10% e 80%, fknee é igual a 0,5 dividido pelo tempo de subida do sinal. Para sinais com características de subida baseadas nos limiares 20% a 80%, o que é comum em alguns dispositivos modernos, a fkneeé igual a 0,4 dividido pelo tempo de subida do sinal.
O terceiro passo consiste em se determinar a faixa exigida para o osciloscópio que vai medir o sinal, baseado no grau desejado de precisão para a subida e descida dos sinais. A tabela 1 mostra vários graus de precisão para osciloscópio Gaussianos e de Resposta Plana.
Damos a seguir algumas medidas feitas num sinal digital de clock com características como as citadas até agora no artigo, para servir de exemplo.
Na figura 3 temos a forma de onda de um sinal digital de clock de 100 MHz com fronte de 500 ps (10-90%) visualizada num osciloscópio Agilent MSO6014A com faixa passante de 100 MHz. Conforme pode-se observar este osciloscópio visualiza apenas o sinal fundamental de 100 MHz, o que resulta numa imagem com forma de onda senoidal. Um osciloscópio deste tipo consiste numa solução para se trabalhar com sinais abaixo de 20 MHz, mas não pára se visualizar o sinal de clock de 100 MHz.
Com a utilização do osciloscópio MSO7054A de 500 MHz, já temos a apresentação de uma forma de onda diferente, conforme mostra a figura 4.
Com este osciloscópio é possível capturar o quinto harmônico do sinal que é a primeira regra a ser seguida ao se visualizar uma forma de onda. Mas, na medida do tempo de subida, vemos que o osciloscópio mede aproximadamente 750 ps. Neste caso, o osciloscópio não está fazendo uma medida muito precisa. O osciloscópio está, neste caso, medindo alguma coisa próxima do seu próprio tempo de subida da ordem de 700 ps, não o tempo de subida do sinal de entrada que está próximo de 500 ps. Para medir este tempo será preciso empregar um osciloscópio com uma faixa passante ainda mais larga. Utilizando então um MSO7104A de 1 GHz da Agilent, temos então a forma de onda mostrada na figura 5.
Quando selecionado o tempo de subida, o osciloscópio mede 550 ps, o que significa uma precisão de aproximadamente 10%, que pode ser aceitável em muitos casos. No entanto, mesmo com esta faixa passante ainda existem aplicações em que se necessita de uma precisão maior. Assim, utilizando um osciloscópio de 2 GHz, como o DSO80204B da Agilent, temos a visualização da forma de onda mostrada na figura 6.
Observe que o tempo de subida apresentado por este osciloscópio é de aproxidamente 495 ps para o sinal observado, o que é uma excelente precisão.
A Agilent com sua série Infinium de osciloscópios oferece a possibilidade do upgrade da faixa de frequências. Assim, o profissional pode adquirir o tipo de 2 GHz e depois ir fazendo o upgrade até 13 GHz. Veja que a idéia passada de que um osciloscópio deveria ter uma largura de faixa pelo menos 3 vezes maior do que a frequência mais elevada a ser observada não vale mais quando tratamos de sinais digitais, RF modulada.
Conclusão
Pelas imagens do Application Note da Agilent podemos perceber a diferença entre uma forma de onda real de um sinal e a forma observada em osciloscópios com diversas larguras de faixa. O modo como a largura de faixa afeta a precisão das observações é muito importante nas aplicações que exigem maior precisão. Na documentação da Agilent, que pode ser acessada no site da empresa, existem considerações adicionais que podem ser de grande interesse para os leitores que desejam saber mais sobre o assunto.
