Prüfungsanfrage: DIY-Differenzoszilloskop-Tastkopf für Gleichstrom bis 50 MHz

Angesichts der Kosten für geeignete Differentialsonden habe ich beschlossen, meine eigenen zu machen. Die Anforderungen sind:

• Gleichstrom bis 50 MHz 3 dB Bandbreite
• Einige wählbare Eingangsspannungsbereiche von 3 V bis 300 V
• Besser als 1/500 Gleichtaktunterdrückungsverhältnis
• Eine "gut genug" Rauschzahl
• Realisierbar mit der begrenzten Auswahl an Teilen aus meinem örtlichen Elektrofachgeschäft
• Layout für eine selbstgeätzte 2-seitige Leiterplatte mit handgelöteten Bauteilen möglich.

Ich habe wenig Erfahrung mit der Entwicklung von analogen Hochgeschwindigkeitsschaltungen, daher würde ich gerne Feedback, einschließlich Kritik, zum Konzeptentwurf erhalten. Ich habe auch einige Fragen zu bestimmten Aspekten der Implementierung:

• Könnte ich ohne Impedanzanpassung an beiden Enden des Koaxialkabels davonkommen , da das übertragene Signal kaum 50 MHz erreichen würde und das Kabel weniger als 1 m lang ist? Ich würde es vorziehen, das Oszilloskopende nur auf 50 Ohm zu terminieren (und das Koaxialkabel direkt am Sondenende anzusteuern), da ein Vorwiderstand von 50 Ohm am Sondenende die vom Oszilloskop gesehene Spannung durch 2 dividieren würde.

• Sind die BJT-Stromquellen schnell genug, um bei einem 50-MHz-Signal mit hoher Amplitude (3 V pk-pk am JFET-Gate) konstante 5 mA zu verbrauchen?

• Ist die Hinzufügung einer Induktivität zwischen der Source jedes JFET und dem Kollektor des entsprechenden BJT ein vernünftiger Weg, um einen konstanten JFET-Drainstrom bei höheren Frequenzen sicherzustellen , oder schwingt eine solche Schaltung unvermeidlich?

• Wie gesund ist mein PCB-Layout , gibt es irgendwelche offensichtlichen Mängel? Was würdest du anders machen?

Für die Unterstützung verschiedener Spannungsbereiche stützt sich mein vorläufiger Entwurf auf externe passive Dämpfungsglieder, die in den 3-poligen Header-Anschluss (J1) eingesteckt werden. Die Dämpfungsglieder haben Abgleichwiderstände und Kondensatoren zur Anpassung der invertierenden und nicht invertierenden Eingänge über den gesamten Frequenzbereich. Unten abgebildet ist ein 1:10 Dämpfungsglied (ca. +/- 30 V Bereich).

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Das Verstärker-Front-End wird mit JFET-Source-Followern realisiert, um der Dämpfungsstufe eine hohe Impedanz zu verleihen. Diese Topologie wurde gewählt, um den relativ hohen Eingangsvorspannungsstrom (worst case 2μA) des verfügbaren Operationsverstärkers zu umgehen. Bipolartransistor-Stromquellen gewährleisten einen relativ stabilen Drainstrom zu den JFETs über den gesamten Eingangsspannungsbereich.

Der auf Operationsverstärkern basierende Differenzverstärker ist auch für die Ansteuerung von 1 m RG-174 50 Ohm Koax verantwortlich. Während der Operationsverstärker als direkt ansteuerbar angekündigt wird, gibt es Platz für Abschlusswiderstände.

Die Stromversorgung erfolgt über eine 9-V-Batterie, wobei die andere Hälfte des Operationsverstärkers als virtuelle Massequelle fungiert. Eine rote LED hat die doppelte Funktion, anzuzeigen, dass die Sonde eingeschaltet ist, und eine Vorspannung von ~ 1,8 V für die Stromquellen bereitzustellen.

Komponenten:

• Geringe Leckage (<5nA), 2pF Eingangsschutzdioden: BAV199
• JFETs: SST310
• BJTs: BC847b
• 70 MHz GBW, 1 kV / μs Doppel-Operationsverstärker: LT1364
• 4x Präzisionswiderstände (0,1%, 2,2 kΩ) für die Differenzverstärkersektion.

Nachdem ich das Ding tatsächlich gebaut habe

Ich kann meine eigene Frage im Nachhinein endlich beantworten. Ich habe die Schaltung wie in der Frage beschrieben mit einem 1:10 Dämpfungsglied gebaut.

• Könnte ich wegkommen, ohne die Impedanz an beiden Enden des Koaxialkabels anzupassen ...

  Ja, aber die Signalintegrität leidet darunter. Die blaue Kurve ist eine Rechteckwelle mit einer Anstiegs- und Abfallzeit von ~ 6 ns (erzeugt von einem Relaxationsoszillator auf 74HC14-Basis ), gemessen mit einer passiven Standardsonde von 1:10. In den ersten vier Screenshots ist die gelbe Kurve die Ausgabe der DIY-Differenzialsonde, multipliziert mit 10 und dem Umfang, wie in der Abbildung dargestellt. Der letzte Screenshot zeigt den SMA-Anschluss, der direkt von einer anderen passiven 1:10-Sonde geprüft wird. Das Oszilloskop ist ein Rigol DS1052E mit 50 MHz und 1 MΩ und 15 pF Eingängen.

  

  Wie zu sehen ist, führt die Terminierung beider Enden zu einem sauberen Signal ohne Überschwingen, jedoch mit nur ungefähr 13 MHz Bandbreite. Die schnellste Anstiegszeit wird erreicht, indem das Laden des Opamps vermieden wird, was anzeigt, dass eine niedrige Lastimpedanz den Opamp sehr stark verlangsamt.

• Sind die BJT-Stromquellen schnell genug, um konstante 5 mA zu verbrauchen?

  Ja. Die JFET-Puffer und ihre Vorspannungsstromquellen arbeiten in Bezug auf den Frequenzgang einwandfrei. Die Bandbreite ist durch die Wahl des Operationsverstärkers eingeschränkt.

• Ist die Hinzufügung einer Induktivität zwischen der Source jedes JFET und dem Kollektor des entsprechenden BJT ein vernünftiger Weg, um einen konstanten JFET-Drainstrom zu gewährleisten?

  Es war nicht nötig, also habe ich es nicht versucht. Keine Ahnung.

• Wie vernünftig ist mein PCB-Layout ...

  Ich hatte keine Probleme mit dem Layout selbst, aber ich hätte die Platine unbedingt so gestalten sollen, dass sie auf einem abgeschirmten Gehäuse montiert werden kann. Wärmeschrumpfung ist absolut nicht ausreichend, da die Schaltung mit der sehr hohen Impedanz sehr anfällig für alle Arten von Interferenzen ist. Selbst wenn ich meine Hand unter dem Tisch bewege, auf dem die Sonde sitzt, werden die Messungen durch kapazitive Kopplung beeinflusst.

Ein unvorhergesehener Mangel bei meinem Design ist die Unfähigkeit, die Ausgangsoffsetspannung zu korrigieren. Es stellt sich heraus, dass JFETs einzigartige Schneeflocken sind: Die Schwellenspannung kann sogar bei Transistoren derselben Charge um mehrere hundert Millivolt variieren. Als ich die Sonde zum ersten Mal baute, gab sie +600 mV aus, wobei die Sonden kurzgeschlossen waren. Ich löte die JFETs aus, testete alles, was sich in meiner Teilebox befand, und verlötete die beiden, die am besten zu der Platine passten. Jetzt ist der Offset kleiner, aber immer noch signifikant + 30mV. Zukünftige Revisionen sollten einen Mechanismus zum Kompensieren dieser Offset-Spannung mit einem Trimmerpotentiometer haben.

Ein weiteres Problem ist der Eingangsspannungsbereich. Negative Spannungen werden linear bis zu -30 V und darunter verarbeitet, positive Spannungen über +6 V (gedämpft auf +0,6 V) führen jedoch allmählich zu immer mehr Verzerrungen. Dies wird dadurch verursacht, dass die JFET-Source-Folger beim Auftreffen auf die positive Versorgungsschiene gesättigt sind, was durch die Gate-Drain-Schwellenspannung von -2,1 V noch verstärkt wird. Dies bedeutet, dass ein 0-V-Eingang bereits einen +2,1-V-Ausgang verursacht.
Die richtige Lösung besteht darin, die Dämpfungsglieder auf -2,1 V anstelle von Masse vorzuspannen.

Sie haben hier viel gute Arbeit geleistet.

Die von Ihnen ausgewählten Teile können jedoch möglicherweise nicht Ihren Spezifikationen entsprechen.

Haben Sie Designvorgaben?
Schritt% Überschwingen (bei mit 50R abgeschlossenem Kabel), Verstärkungsfehler 0 ~ 50 MHz, DC-Offset, Pwr, Ein / Aus-Schalter? ESD-Schutzstufe? Kurzschlussstifte für die Lagerung?

Glauben Sie, dass die BAS-Dioden schnell genug sind, um die FETs bei direkter Verbindung vor ESD zu schützen? Ich erinnere mich, dass in den 80er Jahren viele junge EEs die Front-End-FETs auf Tek FET-gepufferten Diff-Sonden durchbrannten, die mit 25 V durchbrannten. Ich würde Serie R hinzufügen, um den Eingangsstrom zu begrenzen und die BAV99 durch die ESD-Dioden von TI zu ersetzen . 0,5 pF TPD1E04U04. Die Dioden müssen schneller als die FETs leiten, um sie zu schützen, und ESD kann 10 Ampere für Pikosekunden betragen.

Ich hätte das Evaluation Kit für das Layout des AD8001 in Betracht ziehen können .

16 versandkostenfrei Lieferung am nächsten Werktag 9,99 € Von RS Electronics

Technische Daten : 1,5 pF Eingangskapazität 800 MHz GBW, PSRR> 50 dB

Wählen Sie x1 x10 Gain mit Onboard Gain Select.
Verwenden Sie ein 50-Ohm-Kabel und einen 50-Ohm- Abschlusswiderstand für eine Bandbreite von 800 MHz bis 80 MHz.

Verwenden Sie die mechanische Konstruktion der Tektronics Diff Fet Probe für Sondenstifte. Obwohl neuere Tek-Modelle bei 6.000 US-Dollar starten, arbeiten sie im bis zu x-GHz-Bereich. Bei handgehaltenen und Einweg-Lötkabeln sollten jedoch deren Sonden in Betracht gezogen werden.

Da es sich um einen Stromrückkopplungs-Chip handelt, ist die Eingangsimpedanz unkonventionell
+ Eingang 10 MΩ
–Eingang 50 Ω