Żądanie przeglądu: DIY oscyloskopowa sonda różnicowa do DC 50 MHz

Biorąc pod uwagę koszt odpowiednich sond różnicowych, zdecydowałem się stworzyć własny. Wymagania są następujące:

• Przepustowość DCb do 50 MHz 3db
• Kilka zakresów napięcia wejściowego do wyboru, od 3 V pk-pk do 300 V pk-pk
• Lepszy niż współczynnik odrzucenia w trybie wspólnym 1/500
• „Wystarczająco dobry” poziom hałasu
• Jest to możliwe dzięki ograniczonemu wyborowi części z mojego lokalnego sklepu z elektroniką
• Wykonalny układ dla domowej płyty 2-stronnej z ręcznie lutowanymi elementami.

Mam niewielkie doświadczenie w projektowaniu szybkich obwodów analogowych, dlatego chciałbym otrzymywać informacje zwrotne, w tym krytykę, na temat projektu koncepcyjnego. Mam również kilka pytań dotyczących konkretnych aspektów wdrożenia:

• Czy mogę uciec bez impedancji pasującej do obu końców koncentrycznego , biorąc pod uwagę, że przenoszony sygnał ledwo osiągnie 50 MHz, a kabel ma mniej niż 1 m długości? Wolałbym tylko zakończyć koniec zakresu do 50 omów (i bezpośrednio napędzać koncentryczny koniec sondy), ponieważ szeregowy rezystor 50 omów na końcu sondy podzieliłby napięcie widziane przez zakres przez 2.

• Czy źródła prądu BJT są wystarczająco szybkie, aby pochłonąć stały 5 mA przy wysokiej amplitudzie (3 V pk-pk na bramce JFET) 50 MHz?

• Czy dodanie cewki indukcyjnej między źródłem każdego JFET a kolektorem odpowiedniego BJT jest rozsądnym sposobem zapewnienia stałego prądu drenującego JFET przy wyższych częstotliwościach, czy też taki obwód nieuchronnie oscyluje?

• Jak rozsądny jest mój układ PCB , czy są jakieś rażące niedociągnięcia? Co zrobiłbyś inaczej?

W celu obsługi różnych zakresów napięcia mój wstępny projekt opiera się na zewnętrznych pasywnych tłumikach, które podłącza się do 3-pinowego złącza nagłówka (J1). Tłumiki będą miały rezystory i kondensatory trymera do dopasowania wejść odwracających i nieodwracających w całym zakresie częstotliwości. Zilustrowano poniżej tłumik 1:10 (w przybliżeniu zakres +/- 30 V).

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Interfejs wzmacniacza jest realizowany za pomocą obserwatorów źródła JFET w celu zapewnienia wysokiej impedancji dla stopnia tłumika. Tę topologię wybrano w celu obejścia stosunkowo wysokiego prądu obciążenia wstępnego (w najgorszym przypadku 2μA) dostępnego wzmacniacza operacyjnego. Bipolarne źródła prądu tranzystorowego zapewniają stosunkowo stabilny prąd drenujący do JFET w całym zakresie napięcia wejściowego.

Wzmacniacz różnicowy na bazie wzmacniacza operacyjnego jest również odpowiedzialny za napędzanie 1 m koncentrycznego RG-174 o impedancji 50 omów. Podczas gdy wzmacniacz operacyjny jest reklamowany jako będący w stanie bezpośrednio sterować kablem koncentrycznym, istnieją ślady rezystorów terminujących.

Zasilanie zapewnia bateria 9 V, a druga połowa wzmacniacza operacyjnego działa jako wirtualne źródło uziemienia. Czerwona dioda LED pełni podwójną funkcję, wskazując, że sonda jest włączona, i zapewnia napięcie wstępne ~ 1,8 V dla źródeł prądu.

Składniki:

• Niskie wycieki (<5nA), diody ochronne wejściowe 2pF : BAV199
• JFET: SST310
• BJT: BC847b
• Podwójny wzmacniacz operacyjny 70 MHz GBW, 1 kV / μs: LT1364
• 4x precyzyjne rezystory (0,1%, 2,2 kΩ) dla sekcji wzmacniacza różnicowego.

Po faktycznym zbudowaniu rzeczy

Mogę w końcu odpowiedzieć na własne pytanie z perspektywy czasu. Zbudowałem obwód, jak opisano w pytaniu, z tłumikiem 1:10.

• Czy mogę uciec bez impedancji pasującej do obu końców kabla koncentrycznego ...

  Tak, ale cierpi na tym integralność sygnału. Niebieski ślad jest falą kwadratową o czasie narastania i opadania o wartości ~ 6 ns (generowaną przez oscylator relaksacyjny oparty na 74HC14 ), jak zmierzono za pomocą standardowej sondy pasywnej 1:10. Na pierwszych czterech zrzutach ekranu żółty ślad jest wyjściem sondy różnicowej DIY, pomnożonej przez 10 przez zakres, jak pokazano na schemacie. Ostatni zrzut ekranu to złącze SMA sondowane bezpośrednio przez inną sondę pasywną 1:10. Zakres obejmuje 50 MHz Rigol DS1052E z wejściami 1MΩ 15pF.

  

  Jak można zauważyć, zakończenie obu końców skutkuje czystym sygnałem bez przekroczenia, ale z jedynie około 13 MHz przepustowością. Najszybszy czas narastania osiąga się, unikając obciążenia opampa, co wskazuje, że niska impedancja obciążenia bardzo spowalnia opampa.

• Czy źródła prądu BJT są wystarczająco szybkie, aby zatopić stałe 5 mA ...

  Tak. Bufory JFET i ich źródła prądu polaryzującego działają bezbłędnie, jeśli chodzi o pasmo przenoszenia. Przepustowość jest wąska z powodu wyboru opampa.

• Czy dodanie cewki indukcyjnej między źródłem każdego JFET a kolektorem odpowiedniego BJT jest rozsądnym sposobem zapewnienia stałego prądu drenującego JFET ...

  Nie było to konieczne, więc nie próbowałem. Brak pomysłu.

• Jak zdrowy jest mój układ płytki drukowanej ...

  Nie miałem problemów związanych z samym układem, ale absolutnie powinienem był zaprojektować płytę z myślą o zamontowaniu do ekranowanej obudowy. Obkurczanie termiczne absolutnie nie zadziała, obwód o bardzo wysokiej impedancji jest bardzo podatny na wszelkiego rodzaju zakłócenia. Nawet przesunięcie ręki pod stołem, na którym sonda siedzi, wpływa na pomiary przez sprzężenie pojemnościowe.

Nieprzewidzianą wadą mojego projektu jest niemożność skorygowania wyjściowego napięcia przesunięcia. Okazuje się, że JFET to wyjątkowe płatki śniegu: napięcie progowe może różnić się o kilkaset miliwoltów, nawet w tranzystorach z tej samej partii. Kiedy po raz pierwszy zbudowałem sondę, wysyła ona napięcie +600 mV, gdy sondy są zwarte razem. Rozlutowałem JFET, przetestowałem wszystkie, które były w moim pudełku z częściami i przylutowałem te dwa, które najlepiej do siebie pasowały. Teraz przesunięcie jest mniejsze, ale nadal znaczące + 30 mV. Przyszłe wersje powinny mieć mechanizm kompensacji tego przesunięcia napięcia za pomocą potencjometru.

Kolejnym problemem jest zakres napięcia wejściowego. Napięcia ujemne są obsługiwane liniowo do -30 V i poniżej, ale napięcia dodatnie powyżej +6 V (tłumione do +0,6 V) stopniowo wywołują coraz większe zniekształcenia. Jest to spowodowane nasyceniem obserwatorów źródła JFET, gdy uderzają one w szynę dodatniego zasilania, zaostrzoną napięciem progowym drenażu bramy wynoszącym -2,1 V, co oznacza, że ​​wejście 0 V już powoduje wyjście +2,1 V.
Właściwym rozwiązaniem jest przesunięcie tłumików do -2.1 V zamiast do ziemi.

Wykonałeś tu dużo dobrej roboty.

Ale wybrane części nie mogą być zgodne ze specyfikacją.

Czy masz jakieś specyfikacje projektowe?
Krok przekroczenia% (na kablu zakończonym 50R), błąd wzmocnienia 0 ~ 50 MHz, przesunięcie DC, Pwr, włącznik / wyłącznik? Poziom ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi? Zwierające kołki do przechowywania?

Czy uważasz, że diody BAS będą wystarczająco szybkie, aby chronić FET przed ESD za pomocą bezpośredniego połączenia? Pamiętam, że w latach 80-tych wiele młodych EE wysadzało przednie FET na buforowanych Diff sondach Tek FET, które przepływały z 25V. Dodałbym serię R, aby ograniczyć prąd wejściowy i zastąpić BAV99 diodami ESD TI. 0,5pF TPD1E04U04. Diody muszą przewodzić szybciej niż FET, aby je chronić, a ESD może wynosić 10-amperów na pikosekundy.

Mogłem rozważyć zestaw ewaluacyjny dla układu AD8001 .

16 W magazynie ZA DARMO dostawa następnego dnia roboczego 8,04 £ Od RS Electronics

Specyfikacja: pojemność wejściowa 1,5 pF 800 MHz GBW, PSRR> 50dB

Wybierz wzmocnienie x1 x10 z wyborem wzmocnienia na pokładzie.
Przed użyciem należy użyć kabla 50 Ohm i terminatora 50 Ohm dla pełnej szerokości pasma od 800 MHz do 80 MHz.

Skorzystaj z mechanicznej konstrukcji sondy Diff Fet Probe dla styków sond. Chociaż nowsze modele Tek zaczynają się od 6 tys. USD, działają w zakresie do x GHz. Ale dla ręcznych i jednorazowych przewodów lutowniczych rozważ ich sondy.

Ponieważ jest to układ ze sprzężeniem zwrotnym prądu, impedancja wejściowa jest niekonwencjonalna
+ wejście 10 MΩ - wejście
50 Ω