Las pruebas de fiabilidad son muy importantes en el proceso de diseño de componentes electrónicos. Ayudan a detectar fallos en los productos en las primeras fases, a calcular un tiempo de calibración/garantía razonable y a conocer las prestaciones a largo plazo del producto bajo condiciones extremas, etc. La fiabilidad se expresa en tiempo medio hasta el fallo (MTTF), tiempo medio entre fallos (MTBF) y esperanza de vida. Se calculan estadísticamente basándose en pruebas ambientales de muestreo realizadas bajo condiciones de laboratorio estrictamente controladas. Las normas IEC [1] y MIL [2] se han constituido como normas representativas para las pruebas ambientales en electrónica.
Al realizar estas pruebas ambientales en productos electrónicos, los ingenieros de pruebas muy a menudo se enfrentan al dilema de que el sistema de sondeo ha de poder sobrevivir a las mismas condiciones severas que el producto.
Por ejemplo, a menudo los cambios de temperatura pueden ser tan amplios como de –50 ºC a 150 ºC en pruebas de envejecimiento acelerado. Las sondas de tensión normales se estropearían por la expansión térmica del material dieléctrico de los cables coaxiales. Los alojamientos de plástico empiezan a deformarse por encima de los 60 ºC. La respuesta en frecuencia del amplificador de la sonda activa empieza a deteriorarse cuando la temperatura aumenta a rangos extremos. En la Figura 1 se muestra el fallo del protector externo de un cable coaxial normal tras una prueba de envejecimiento a alta temperatura.
En la Figura 2 se muestra una exploración radiográfica del conector del cabezal de sonda tras varios ciclos térmicos en una cámara ambiental. El material dieléctrico del cable coaxial ha retrocedido y ha dejado la patilla central fuera del conector. La degradación progresiva provocaría en última instancia un corte de DC.
En vez de colocar un cabezal de sonda frágil en la cámara, los ingenieros de pruebas utilizan cables más largos para conectar el objetivo al osciloscopio. Sin embargo, este método tiene muchas limitaciones. En primer lugar, limita en gran medida el ancho de banda debido a la capacitancia e inductancia parasitarias añadidas. Una estimación aproximada de la inductancia de un solo cable es de aproximadamente 1 nH/mm. Un cable de extensión de un metro de largo introduce aproximadamente 1 uH de impedancia inductiva en la trayectoria de sondeo, lo cual limita en gran medida el ancho de banda medible hasta el rango de kHZ. El segundo problema es la creciente distorsión de la señal del acoplamiento electromagnético. Cuanto más largo sea el cable prolongado, mayor será la trayectoria de acoplamiento. A mayor nivel de complejidad del diseño, mayor densidad de la fuente de ruido electromagnético. El cable prolongado funciona como una antena receptora y podría acoplar eficazmente los ruidos en la trayectoria medida. Por último, el cable prolongado también aporta una carga adicional al circuito sometido a prueba. En ocasiones puede ser excesiva. Por ejemplo, un cable coaxial normal FR4 de 50 ohmios tiene una carga de 120 pF/metro. En circuitos de baja impedancia, la fuerte carga podría distorsionar la señal hasta tal extremo que se produjera un fallo funcional.
Los ingenieros podrían optar por utilizar sondas de tensión pasivas robustas y de bajo coste. Por lo general, la impedancia de entrada de estas sondas pasivas es de unos 10 Mohmios con de 10 a 15 pF de carga capacitiva. Así que tienen mucho menos efecto de carga que un cable prolongado. Sin embargo, el ancho de banda suele estar limitado a 500 MHz cuando se termina en una entrada de 1 MΩ de un osciloscopio. Muchas aplicaciones de los diseños electrónicos de hoy día requieren muchísimo más ancho de banda. Además, el rango de temperatura de funcionamiento de una sonda pasiva convencional está limitado de 0 a 50 ºC, lo cual no suele cumplir el requisito de temperatura de medida en pruebas de envejecimiento acelerado.
Para resolver este problema, se necesitan sondas de tensión activas y accesorios especiales que puedan cumplir tanto las duras condiciones de prueba como los requisitos de ancho de banda. Agilent ofrece la primera solución de sonda activa robusta y económica del sector para dar respuesta a esta necesidad. La sonda unipolar activa para temperatura extrema Agilent N2797A permite al ingeniero de pruebas introducir el resistente cabezal de la sonda directamente en la cámara ambiental para que la trayectoria de la señal desde el punto de prueba hasta el primer amplificador permanezca en un nivel mínimo. La inductancia parasitaria (habitualmente inferior a varios nH) y la carga (habitualmente inferior a 1pF) se minimizan para permitir el máximo ancho de banda de sondeo de 1,5 GHz. La sonda está fabricada con un cable coaxial especial para alta temperatura, alojamiento protector de silicona para alta temperatura y un amplificador de sonda resistente, para que pueda soportar el amplio rango de temperatura de –40 ºC a 85 ºC que a menudo exigen muchas de las pruebas ambientales en electrónica. La sonda también ha demostrado que proporciona estabilidad a alta temperatura durante largos periodos de tiempo. En la Figura 3 se muestra la respuesta en frecuencia a diferentes rangos de temperatura. En la Figura 4 se muestra la estabilidad de la sonda a 90 ºC durante un periodo de 6 meses.
Otras características incluyen impedancia de entrada de 1 MΩ para minimizar la carga de DC, cable de 2 metros de longitud para la prolongación hasta las cámaras, gran variedad de accesorios para la sonda de gran robustez para permitir diversos modelos de uso e interfaz AutoProbe de Agilent para simplificar el funcionamiento. Este tipo de sonda puede ser muy útil en cualquier laboratorio de desarrollo donde las pruebas ambientales formen parte del ciclo de diseño.
