Запрос на рассмотрение: дифференциальный осциллограф с датчиком постоянного тока до 50 МГц

Учитывая стоимость правильных дифференциальных пробников, я решил сделать свои собственные. Требования следующие:

• Полоса пропускания постоянного тока до 50 МГц
• Несколько выбираемых диапазонов входного напряжения: от 3 В pk-pk до 300 В pk-pk
• Лучше, чем 1/500 коэффициент отклонения синфазного режима
• «Достаточно хороший» коэффициент шума
• Реализуется с ограниченным выбором деталей из моего местного магазина электроники
• Возможна компоновка двухсторонней печатной платы с ручной пайкой.

У меня мало опыта в проектировании высокоскоростных аналоговых схем, поэтому я хотел бы получать отзывы, включая критику, по поводу концептуального дизайна. У меня также есть несколько вопросов, касающихся конкретных аспектов реализации:

• Могу ли я уйти без согласования импеданса на обоих концах коаксиального кабеля , учитывая, что передаваемый сигнал едва достигает 50 МГц, а длина кабеля составляет менее 1 м? Я бы предпочел только подключить конец прицела к 50 Ом (и напрямую подключить коаксиальный кабель на конце зонда), поскольку последовательный резистор на 50 Ом на конце зонда разделил бы напряжение, видимое прицелом, на 2.

• Являются ли источники тока BJT достаточно быстрыми, чтобы поглощать постоянные 5 мА при высокой амплитуде (3 В рк-рк на затворе JFET) 50 МГц?

• Является ли добавление индуктора между источником каждого JFET и коллектором соответствующего BJT разумным способом обеспечения постоянного тока утечки JFET на более высоких частотах, или такая цепь неизбежно колеблется?

• Насколько вменяемый макет моей печатной платы , есть ли явные недостатки? Что бы вы сделали по-другому?

Для поддержки различных диапазонов напряжения моя предварительная конструкция основана на использовании внешних пассивных аттенюаторов, которые подключаются к 3-контактному разъему (J1). Аттенюаторы будут иметь резисторы и конденсаторы триммера для согласования инвертирующих и неинвертирующих входов во всем диапазоне частот. Ниже показан аттенюатор 1:10 (примерно +/- 30 В).

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Входная часть усилителя реализована с помощью JFET-источников, чтобы обеспечить высокий импеданс для ступени аттенюатора. Эта топология была выбрана для того, чтобы обойти относительно высокий входной ток смещения (наихудший случай 2 мкА) доступного операционного усилителя. Источники тока биполярного транзистора обеспечивают относительно стабильный ток утечки к JFET во всем диапазоне входного напряжения.

Дифференциальный усилитель на базе операционного усилителя также отвечает за проезд 1 м 50-омного коаксиального кабеля RG-174. Несмотря на то, что операционный усилитель объявляется способным напрямую управлять коаксиальным кабелем, на согласующих резисторах есть следы.

Питание осуществляется от батареи 9 В, а другая половина операционного усилителя выступает в роли виртуального источника заземления. Красный светодиод выполняет двойную функцию: он показывает, что зонд включен, и обеспечивает напряжение смещения ~ 1,8 В для источников тока.

Компоненты:

• Низкая утечка (<5 нА), 2 пФ, входные защитные диоды: BAV199
• JFET: SST310
• BJTs: BC847b
• 70 МГц, 1 кВ / мкс, двойной операционный усилитель: LT1364
• 4-кратные прецизионные резисторы (0,1%, 2,2 кОм) для секции дифференциального усилителя.

После того, как на самом деле построить вещь

Наконец я могу ответить на свой вопрос задним числом. Я построил схему, как показано в вопросе, с аттенюатором 1:10.

• Могу ли я уйти без сопротивления, соответствующего обоим концам коаксиального кабеля ...

  Да, но целостность сигнала страдает от этого. Синий след представляет собой прямоугольную волну времени нарастания и спада ~ 6 нс (генерируемую генератором релаксации на основе 74HC14 ), измеренную стандартным пассивным зондом 1:10. На первых четырех снимках экрана желтая кривая является выходом дифференциального пробника DIY, умноженного на 10 на область, как показано на схеме. Последний снимок экрана показывает, что разъем SMA проверяется непосредственно другим пассивным датчиком 1:10. Область применения - Rigol DS1052E с частотой 50 МГц и входами 15 МФ 1 МОм.

  

  Как можно видеть, завершение обоих концов приводит к чистому сигналу без перерегулирования, но только с полосой пропускания приблизительно 13 МГц. Самое быстрое время нарастания достигается за счет избежания загрузки операционного усилителя, что указывает на то, что низкий импеданс нагрузки очень сильно замедляет работу операционного усилителя.

• Являются ли источники тока BJT достаточно быстрыми, чтобы поглощать постоянные 5 мА ...

  Да. Буферы JFET и их источники тока смещения работают безупречно, когда дело доходит до частотной характеристики. Ширина полосы пропускания ограничена выбором операционного усилителя.

• Является ли добавление индуктора между источником каждого JFET и коллектором соответствующего BJT разумным способом обеспечения постоянного тока утечки JFET ...

  В этом не было необходимости, поэтому я не пытался. Без понятия.

• Насколько вменяемый мой макет печатной платы ...

  У меня не было проблем, связанных с самой компоновкой, но я абсолютно должен был спроектировать плату с учетом монтажа в экранированном корпусе. Термоусадка абсолютно не подойдет, схема с очень высоким импедансом очень чувствительна ко всем видам помех. Даже перемещение моей руки под стол, на котором находится зонд, влияет на измерения емкостной связью.

Непредвиденный недостаток моей конструкции - невозможность скорректировать выходное смещение напряжения. Оказывается, JFET - это уникальные снежинки: пороговое напряжение может изменяться на несколько сотен милливольт даже в транзисторах из одной партии. Когда я впервые построил зонд, он выдал +600 мВ вместе с зондами.Я распаял JFET, протестировал все, что было в моей коробке с деталями, и припаял два, которые лучше всего соответствовали друг другу, к плате. Теперь смещение меньше, но все еще значимо + 30 мВ. В будущих версиях должен быть механизм компенсации этого смещения напряжением с помощью триммера.

Другая проблема - диапазон входного напряжения. Отрицательные напряжения обрабатываются линейно до -30 В и ниже, но положительные напряжения выше +6 В (ослабленные до +0,6 В) постепенно вызывают все больше и больше искажений. Это вызвано тем, что повторители источника JFET насыщаются при попадании на положительную шину питания, что усугубляется пороговым напряжением затвор-сток -2,1 В, что означает, что вход 0 В уже вызывает выход +2,1 В.
Надлежащим решением является смещение аттенюаторов до -2,1 В вместо земли.

Вы проделали много хорошей работы здесь.

Но выбранные вами детали не могут соответствовать вашим требованиям.

У вас есть какие-либо технические характеристики?
Шаг перерегулирования% (на кабеле с 50R), погрешность усиления 0 ~ 50 МГц, смещение постоянного тока, Pwr, переключатель включения / выключения? Уровень защиты от электростатических разрядов? Заклепки для хранения?

Как вы думаете, диоды BAS будут достаточно быстрыми, чтобы защитить полевые транзисторы от электростатического разряда с прямым подключением? Я помню, как в 80-х годах многие молодые EE выпускали передние полевые транзисторы на буферизованных диффузионных пробниках Tek FET, которые дули с напряжением 25 В. Я бы добавил серию R для ограничения тока на входе и заменил BAV99 на ESD-диоды TI. 0,5 пФ TPD1E04U04. Диоды должны работать быстрее, чем полевые транзисторы, чтобы защитить их, а электростатический разряд может составлять 10 ампер в пикосекундах.

Я мог бы рассмотреть оценочный комплект для макета AD8001 .

16 В наличии БЕСПЛАТНО доставка на следующий рабочий день £ 8.04 От RS Electronics

Характеристики: входная емкость 1,5 пФ, 800 МГц, Вт, PSRR> 50 дБ

Выберите усиление x1 x10 с выбором встроенного усиления.
Рекомендуется использовать кабель 50 Ом и терминатор 50 Ом для полной полосы пропускания от 800 МГц до 80 МГц.

Используйте механический дизайн Tektronics Diff Fet Probe для зондовых штырьков. Хотя новые модели Tek начинаются с $ 6 тыс., Они работают в диапазонах x ГГц. Но для ручных и одноразовых паяльных выводов рассмотрим их зонды.

Поскольку это микросхема обратной связи по току, входной импеданс нетрадиционный
+ Вход 10 МОм -
Вход 50 Ом