Dlaczego impedancje wejściowe oscyloskopu są tak niskie?

Moje pytanie jest dwojakie:

Skąd pochodzi impedancja wejściowa?

Zastanawiam się, skąd pochodzi impedancja wejściowa średniego multimetru lub oscyloskopu? Czy to tylko impedancja wejściowa do stopnia wejściowego urządzenia (takiego jak wzmacniacz lub stopień wejściowy ADC), czy też jest to impedancja rzeczywistego rezystora? Jeśli jest to impedancja rzeczywistego rezystora, to dlaczego w ogóle jest rezystor? Dlaczego nie tylko obwód wejściowy?

Zmierzyłem impedancję wejściową mojego oscyloskopu za pomocą DMM. Gdy zakres był wyłączony, DMM mierzył około . Jednak po włączeniu lunety DMM zmierzył prawie dokładnie (widziałem nawet wejście testowe 1V zastosowane przez DMM na ekranie oscyloskopu!). To sugeruje mi, że w impedancji wejściowej lunety bierze udział aktywny obwód. Jeśli to prawda, w jaki sposób można tak precyzyjnie kontrolować impedancję wejściową? Z mojego zrozumienia wynika, że impedancja wejściowa do aktywnych obwodów będzie w pewnym stopniu zależeć od dokładnej charakterystyki tranzystora. $1.2\mathrm{M\Omega}$ $1\mathrm{M\Omega}$

Dlaczego impedancja wejściowa nie może być znacznie wyższa?

Dlaczego impedancja wejściowa oscyloskopu jest standardowym ? Dlaczego nie może być wyżej? Stopnie wejściowe FET mogą osiągnąć impedancje wejściowe rzędu teraomów! Dlaczego tak niska impedancja wejściowa? $1\mathrm{M\Omega}$

Przypuszczam, że jedną z zalet precyzyjnego standardowego jest to, że pozwala on na 10-krotny pomiar sond i tym podobne, które działałyby tylko wtedy, gdyby zakres miał precyzyjną impedancję wejściową, która nie była nieproporcjonalnie duża (jak dla wejścia FET etap). Jednak nawet jeśli luneta miała naprawdę wysoką impedancję wejściową (np. Teraom), wydaje mi się, że nadal można mieć sondy 10X tylko poprzez dzielnik napięcia 10: 1 wewnątrz samej sondy, z lunetą mierzoną w poprzek Rezystor w sondzie. Gdyby miał impedancję wejściową rzędu teraomów, wydawałoby się to wykonalne. $1\mathrm{M\Omega}$ $1\mathrm{M\Omega}$

Czy nie rozumiem obwodów wejściowych zakresu? Czy to jest bardziej skomplikowane niż się wydaje? Co o tym myślisz?

Powodem, dla którego o tym pomyślałem, jest to, że ostatnio próbowałem zmierzyć impedancję wejściową w trybie wspólnym pary różnicowej sprzężonej z emiterem, która jest znacznie większa niż impedancja wejściowa zakresu, więc zastanawiałem się, dlaczego impedancja wejściowa może nie będzie większy.

— hddh
źródło

Temat jest znacznie bardziej złożony, niż mogłoby się wydawać. Wydaje się, że rozważasz tylko odpowiedź DC, ale w rzeczywistości zakres musi mieć płaską odpowiedź aż do określonej szerokości pasma. Jest to ogromne wyzwanie, a standaryzacja na 1MΩ / 50Ω sprawia, że problem jest w pewnym sensie możliwy do rozwiązania dla producentów sond.

— Dave Tweed

Czy chciałbyś użyć mojego starego lunety? Można go skonfigurować dla impedancji wejściowej 100 omów. Z drugiej strony został zbudowany w 1965 roku, a standardową konfiguracją jest impedancja wejściowa 1MOhm. Wydaje się, że 1M był standardem od dłuższego czasu.

— JRE

Nie zapominaj, że sonda 10 ma impedancję wejściową 10 M

\times

$\times$

Ω

$\Omega$

— D Duck

@DaveTweed Więc nie jest możliwe, aby mieć stopień wejściowy FET o wystarczająco dużej przepustowości? Jakie właściwie są stopnie wejściowe zakresów?

— hddh

Czy to bezpośrednio do ADC? Nie, jak zakres mógłby mierzyć 1 mV i 100 V. Zwykła konfiguracja: BNC - ochrona wejścia + przełączane tłumienie - Stopień wejściowy (często oparty na FET) - ADC. Więc tak, wiele z nich jest opartych na FET. Nie byłoby aktywne urządzenie definiujące impedancję wejściową. Rezystor 1 M umożliwia prawidłowe ustawienie. Gorąco polecam, aby uczyć , jak rzeczy są zrobione i zadać sobie pytanie, dlaczego przed objęciem: to musi być ... to nie może być ... Bo będzie mylić się.

— Bimpelrekkie

Odpowiedzi:

Powiedziałbym, że jest kombinacja kilku czynników.

Stopnie wejściowe oscyloskopu są trudnym kompromisem. Muszą mieć szeroki zakres korzyści / przypisań, muszą tolerować błędy użytkownika i muszą przesyłać duże przepustowości. Dodanie wymogu bardzo wysokiej rezystancji prądu stałego jeszcze bardziej skomplikowałoby sprawy. W szczególności tłumiki potrzebne do obsługi wyższych zakresów zakresu wejściowego zakresów stałyby się znacznie bardziej złożone / czułe, gdyby musiały mieć bardzo wysoką rezystancję prądu stałego.
Jest to de facto standard, zmiana na coś innego prowadziłaby do niezgodności z istniejącymi sondami itp.
Zresztą i tak nie przyniesie wiele korzyści.

Aby wyjaśnić punkt 3, przy umiarkowanych częstotliwościach (od kilku kiloherców w górę) rezystancja 1 megahm DC wejścia zakresu nie jest dominującym czynnikiem w ogólnej impedancji wejściowej. Dominującym czynnikiem jest pojemność, przy czym kabel ma prawdopodobnie największy udział.

(w rzeczywistości przy częstotliwościach UHF / mikrofalowych powszechne jest zmniejszenie impedancji wejściowej zakresu do 50 omów, więc indukcyjność w kablu może zrównoważyć pojemność, a kabel staje się odpowiednio dopasowaną linią transmisyjną)

Oznacza to, że jeśli pożądane są wysokie impedancje wejściowe, o wiele lepiej radzić sobie z tym w punkcie próbkowania niż w zakresie. Typowym kompromisem kosztu / elastyczności / impedancji wejściowej do ogólnego zastosowania jest sonda pasywna x10.

Jeśli potrzebujesz naprawdę wysokiej rezystancji prądu stałego, rozwiązaniem jest dodanie wzmacniacza opartego na FET przed lunetą, najlepiej jak najbliżej punktu pomiaru.

— Peter Green
źródło

Czy pojemność wejściowa jest również specjalnie skonstruowana, podobnie jak impedancja wejściowa 1Mohm, czy jest to tylko element pasożytniczy, który jest mierzony? (Nieprecyzyjna pojemność wejściowa nie stanowiłaby problemu, ponieważ sondy tłumiące mają kondensatory zmienne.) Czy miałbym rację mówiąc: gdyby obwód tłumienia nie był potrzebny i nie martwiliśmy się o dopasowanie impedancji przy wyższych częstotliwościach (w który przypadek może mieć przełączane wejście na 50 omów), to czy dobrze byłoby mieć wejście bezpośrednio do etapu FET o wysokiej impedancji? Próbuję po prostu wyjaśnić różne przyczyny tego stanu rzeczy.

— hddh

Wydaje mi się, że nawet wtedy nadal będziesz się martwić o pojemność sondy / kabla, ale w takim przypadku dodanie 1 mega spowoduje, że impedancja będzie jeszcze niższa. I sondy 10X mogłyby po prostu mieć własny rezystor 1meg równolegle z wyjściem sondy. Więc w zasadzie: ignorując sondy tłumiące, dopasowanie impedancji i układ tłumienia, nie widzę żadnych innych powodów dla rezystancji wejściowej tak małej jak 1 meg, ponieważ po prostu spowodowałoby to, że impedancja wejściowa ze względu na pojemność była jeszcze niższa (i dopasowanie impedancji statek i tak już płynąłby z impedancją wejściową 1meg).

— hddh

Jak dotąd rozumiem: rezystancja wejściowa 1meg jest lepsza ze względu na: (a) wymagany obwód tłumienia, (b) impedancja wejściowa jest zdominowana przez pojemność, (c) upraszcza konstrukcję sondy tłumiącej. Dopasowywanie impedancji nie wydaje się być powodem, ponieważ w takich przypadkach i tak spadłbyś do 50 omów. Zastanawiam się nad impedancjami wejściowymi multimetru (zwykle 10 meg), gdzie wydaje się, że stosuje się tylko (a).

— hddh

Kolejny problem z wejściami o wysokiej impedancji to napięcia „fantomowe”, gdy nie są do niczego podłączone. Nawet przy 10 megapikselach może to być zauważalne. Niektóre wysokiej klasy multimetry faktycznie mają opcję wyłączenia rezystora 10 megapikseli, mam dostęp do takiego miernika, ale nie sądzę, żebym kiedykolwiek czuł potrzebę używania tej funkcji.

— Peter Green

@PeterGreen sprawdź, czy możesz również wyłączyć tłumienie 50 / 60Hz, a zamiast woltomierza masz generator liczb losowych, gdy nie jest on z czymś podłączony.

— rackandboneman

Wiele rzeczy jest takich, jakie są z powodu historii i de facto standaryzacji.

Wejście oscyloskopu ogólnego zastosowania jest trudnym kompromisem między nie obciążeniem obwodu, niezniszczeniem przez wysokie napięcie, posiadaniem rozsądnie niskiego szumu i zdolnością do utrzymania przyzwoitej szerokości pasma.

1Mohm równolegle z 15pF do 30pF zaspokaja wiele osób w wielu zastosowaniach. Producenci mają niewielką motywację do zbudowania oscyloskopu ogólnego przeznaczenia z innym wkładem, aby zająć się małymi częściami rynku.

Kiedy potrzebujesz lepszego szumu lub wejścia różnicowego lub wyższej impedancji wejściowej, skorzystaj z niestandardowego przedwzmacniacza. Gdy potrzebujesz szerszej przepustowości, przełączasz na impedancję wejściową 50 omów.

Istnieją oscyloskopy specjalnego przeznaczenia, produkowane w wysokich cenach, które odpowiadają niszowym zastosowaniom.

— Neil_UK
źródło

Słusznie. Czy impedancja wejściowa (do lunety lub miernika) nie pochodzi z rzeczywistego rezystora, ale z aktywnego obwodu? (Czy jestem szalony, że nie jestem tego pewien?) Zastanawiam się, jak dokładnie to kontrolować. Zastanawiam się, czy są jakieś schematy stopni wejściowych / frontów unoszących się w Internecie, na które mógłbym spojrzeć.

— hddh

@ hddh Nadal wydaje mi się zaskakujące, że stopień wejściowy FET o wystarczającej przepustowości nie może zostać opracowany. Mówi kto? Są sondy FET o więcej niż 1 GHz BW, na przykład: keysight.com/main/… Być może chodzi ci o to, że chcesz mieć to w zasięgu. Można to zrobić, ale byłoby to bezużyteczne ! Potrzebujesz kabla, aby podłączyć swój testpoint do swojego zakresu. Ten kabel ma pojemność . Cały sens sondy FET polega na tym, że ma niską pojemność .

— Bimpelrekkie

Wskaźniki: EEVBlog! Istnieje również wiele schematów, które można znaleźć w instrukcjach serwisowych, na przykład starszych lunet Tektronix. Oczywiście nie może to być FET z impedancją wejściową 1Mohm (prawda?). Nie jest źle , że impedancja wejściowa jest ustawiana przez rezystor, a następnie (często) wzmacniacz FET służy do wzmocnienia napięcia na tym oporniku. 1 M jest potrzebny, aby mieć odpowiednio zdefiniowaną impedancję. Oto odwrotna inżynieria Dave'a popularnego lunety Rigol DS1054Z: youtube.com/watch?v=lJVrTV_BeGg&t=989s Jego konstrukcja jest typowa dla wielu współczesnych

— lunet

A oto instrukcja serwisowa zakresu analogowego Tektronix 2215, ma schemat blokowy i wszystkie obwody. Tak, jest to stary projekt, ale stopień wejściowy będzie bardzo podobny do współczesnych wielu zakresów: tek.com/manual/2215 do celów badawczych, jest to bardzo przydatne.

— Bimpelrekkie

.. stopień wejściowy ADC z FET jest niewykonalny, czy to z powodu tłumienia wymaganego przed osiągnięciem pożądanego zakresu dynamiki? Tak, zakres dynamiczny jest rzeczywiście odpowiedzią. Zmienny tłumik pomaga doprowadzić sygnał do zakresu odpowiedniego dla wzmacniacza wejściowego i przetwornika ADC.

— Bimpelrekkie

W rzeczywistości jest on absurdalnie wysoki jak na wejście szerokopasmowe.

Nie ma praktycznego złącza ani kabla, który faktycznie miałby impedancję (z widoku linii transmisyjnej. Opór, ale dla kabli koncentrycznych, złotych płytek i hydraulików falowych. Kolesie RF.) 1 megaomów, pozostawiając wejście całkowicie niedopasowane - nawet gorzej, kondensator 15-45pf na wejściu 1 megaoma (impedancja linii przesyłowej) byłby niedopasowany do zapomnienia.

Powodem, dla którego jest to 1 megaom, jest obsługiwanie standardowych sond 10: 1, które naprawdę nie muszą przeciążać rodzaju obwodu przenoszącego sygnały częstotliwości audio o wysokiej impedancji i wysokim przesunięciu DC (pomyśl obwody lampowe audio, konstrukcje sond właśnie ta epoka).

Jednakże, gdy masz do czynienia z RF lub szybkim obwodem cyfrowym, dominuje równoległa pojemność wejścia lunety (której nie możesz zrobić zbyt mały, ponownie ze względu na sondy, kable, złącza) i przyniesie rzeczywistą rezystancję wejściową tego wejścia do 5 do 10 kiloomów po osiągnięciu jednego megaherca, od 500 do 1000 omów po osiągnięciu 10 megaherców. Osiągnij VHF (wskazówka: obwody ACMOS lub F-TTL to VHF, nawet jeśli nie ustawiasz zegara na VHF) i lepiej byłoby, gdybyś dobrał wejście 50 Ohm, ponieważ możesz podłączyć (uzasadniony) długi 50 Ohm kabel i nadal mają 50 Ohm na końcu obwodu, zamiast jeszcze większego obciążenia pojemnościowego.

Dzięki konwencjonalnemu rodzajowi sondy i wejścia łatwo przeciążymy obwód RF. Oscyloskopy zoptymalizowane pod kątem RF zwykle mają wejścia, które można przełączać na impedancję wejściową 50 Ohm (każde wejście oscyloskopu może, z terminatorem równoległym / przelotowym) - co jest co ciekawe, LEPSZE, ponieważ teraz możesz używać sond (np. Sond Z0 lub aktywnych Sondy FET), które faktycznie mogą być wykonane w celu przedstawienia znacznie wyższych skutecznych impedancji wejściowych w punkcie sondy. Lub po prostu zapewnij niezawodne połączenie 50-omowe z obwodem za pomocą dowolnego starego kabla RG58.

— rackandboneman
źródło

Jeśli dobrze rozumiem: mówisz, że 1megaohm nie pomaga w dopasowaniu impedancji i w takich przypadkach byłoby lepiej z wejściami 50ohm. Jeśli więc statek dopasowujący impedancję popłynął z 1meg, to dlaczego potrzebna jest niska impedancja wejściowa 1meg? Powodem, dla którego zebrałem to z innych odpowiedzi, jest to, że wymagany obwód tłumienia wejściowego sprawia, że jest to niemożliwe. Czy są inne powody? (Czy również pojemność wejściowa zakresu jest celowa jak 1 meg, czy też jest pasożytnicza? - tj. Czy można ją łatwo zmniejszyć?)

— hddh

@hddh kiedyś było pasożytnicze, potem prawdopodobnie stało się zamierzone :)

— rackandboneman