¿Por qué las impedancias de entrada de los osciloscopios son tan bajas?

Question

Mi pregunta es doble:

¿De dónde viene la impedancia de entrada?

Me pregunto de dónde viene la impedancia de entrada de tu multímetro u osciloscopio medio. ¿Es sólo la impedancia de entrada a la etapa de entrada del dispositivo (como un amplificador o una etapa de entrada ADC), o es la impedancia de un actual ¿resistencia? Si es la impedancia de una resistencia real, ¿por qué hay una resistencia? ¿Por qué no sólo el circuito de entrada?

He medido la impedancia de entrada de mi osciloscopio con un DMM. Cuando el osciloscopio estaba apagado, el DMM medía aproximadamente \$1.2\mathrm{M\Omega}\$ . Sin embargo, cuando se encendió el visor, el DMM midió exactamente \$1\mathrm{M\Omega}\$ (¡Incluso pude ver la entrada de prueba de 1V aplicada por el DMM en la pantalla del osciloscopio!) Esto me sugiere que hay un circuito activo involucrado en la impedancia de entrada del osciloscopio. Si esto es cierto, ¿cómo puede controlarse la impedancia de entrada con tanta precisión? Según tengo entendido, la impedancia de entrada del circuito activo dependerá en cierta medida de las características exactas del transistor.

¿Por qué la impedancia de entrada no puede ser mucho mayor?

¿Por qué la impedancia de entrada de un osciloscopio es una norma \$1\mathrm{M\Omega}\$ ? ¿Por qué no puede ser mayor? Las etapas de entrada FET pueden alcanzar impedancias de entrada del orden de los teraohmios. ¿Por qué tener una impedancia de entrada tan baja?

Supongo que uno de los beneficios de una norma precisa \$1\mathrm{M\Omega}\$ es que permite sondas de 10X y similares, lo que sólo funcionaría si el osciloscopio tuviera una impedancia de entrada precisa que no fuera excesivamente grande (como la de una etapa de entrada FET). Sin embargo, incluso si el osciloscopio tuviera una impedancia de entrada realmente alta (por ejemplo, teraohms), me parece que todavía se podrían tener sondas de 10X simplemente teniendo un divisor de tensión de 10:1 dentro de la propia sonda, con el osciloscopio midiendo a través de un \$1\mathrm{M\Omega}\$ resistencia dentro de la sonda. Si tuviera una impedancia de entrada del orden de los teraohmios, esto parecería factible.

¿Estoy entendiendo mal el circuito de entrada de un osciloscopio? ¿Es más complicado de lo que parece? ¿Cuál es su opinión al respecto?

La razón por la que pensé en esto es que recientemente he estado intentando medir la impedancia de entrada en modo común de un par diferencial acoplado a emisor, que es mucho mayor que la impedancia de entrada del osciloscopio, así que me hizo preguntarme por qué la impedancia de entrada no puede ser mayor.

Answer 1

Yo diría que es una combinación de varios factores.

1. Las etapas de entrada de un osciloscopio son un compromiso difícil. Deben tener una amplia gama de ganancias/atenuaciones, deben ser tolerantes a los errores del usuario y deben pasar por anchos de banda elevados. Añadir el requisito de una resistencia de CC muy alta sólo complicaría aún más las cosas. En particular, los atenuadores necesarios para manejar el extremo más alto del rango de nivel de entrada de los osciloscopios se volverían mucho más complejos/sensibles si necesitaran tener una resistencia de CC muy alta.
2. Es un estándar de facto, cambiar a otra cosa provocaría incompatibilidades con las sondas existentes, etc.
3. De todos modos, no habría muchos beneficios.

Para explicar mejor el punto 3, a frecuencias moderadas (a partir de unos pocos kilohercios) la resistencia de CC de 1 megaohmio de la entrada del osciloscopio no es el factor dominante en la impedancia de entrada global. El factor dominante es la capacitancia, y el cable es probablemente el que más contribuye.

(de hecho, en las frecuencias de UHF/microondas es habitual reducir la impedancia de entrada del osciloscopio a 50 ohmios, para que la inductancia del cable pueda equilibrar la capacitancia y el cable se convierta en una línea de transmisión correctamente adaptada)

Esto significa que si se desean altas impedancias de entrada, es mucho mejor tratarlas en el punto de sondeo que en el osciloscopio. El compromiso típico de coste/flexibilidad/impedancia de entrada para uso general es una sonda pasiva x10.

Si necesita una resistencia de CC realmente alta, la solución es añadir un amplificador basado en FET delante del osciloscopio, preferiblemente lo más cerca posible del punto de medición.

Answer 2

Muchas cosas son como son debido a la historia, y de facto la normalización.

La entrada de un osciloscopio de propósito general es un difícil compromiso entre no cargar el circuito, no ser dañado por el alto voltaje, tener un ruido razonablemente bajo y ser capaz de mantener un ancho de banda decente.

1 M en paralelo con 15 pF a 30 pF satisface a mucha gente para muchas aplicaciones. Hay pocos incentivos para que los fabricantes construyan un osciloscopio de propósito general con una entrada diferente, para atender a pequeñas partes del mercado.

Cuando se necesita un mejor ruido, o una entrada diferencial, o una mayor impedancia de entrada, entonces se utiliza un preamplificador personalizado. Cuando necesites un mayor ancho de banda, cambia a una impedancia de entrada de 50 ohmios.

Hay osciloscopios de propósito especial fabricados a precios elevados que sí abordan aplicaciones de nicho.

Answer 3

En realidad, es ridículamente alto para una entrada de banda ancha.

No hay ningún conector o cable práctico que tenga realmente una impedancia (desde el punto de vista de la línea de transmisión. Resistencia, pero para los cableros coaxiales, los chapistas de oro y los fontaneros de guía de ondas. Los tipos de RF) de 1 megaohmio, dejando la entrada totalmente desajustada - incluso peor, un condensador de 15-45pf a través de una entrada de 1 megaohmio (impedancia de la línea de transmisión) la desajustaría hasta el olvido.

La razón por la que es de 1 megaohmio es para soportar sondas estándar de 10:1, que de hecho necesitas para no sobrecargar el tipo de circuito que transporta señales de audiofrecuencia a alta impedancia y con alta compensación de CC (piensa en circuitos de tubos de vacío de audio, los diseños de las sondas son precisamente de esa época).

Sin embargo, una vez que se trata de RF o de circuitos digitales rápidos, la capacitancia paralela de la entrada del osciloscopio (que no se puede hacer demasiado pequeña, de nuevo debido a las sondas, los cables y los conectores) dominará ... y hará que la resistencia de entrada real de esa entrada baje a 5 a 10 kiloohmios una vez que se alcance un megahercio, 500 a 1000 ohmios una vez que se alcance 10 megahercios. Alcanza la VHF (pista: los circuitos ACMOS o F-TTL son cosas de VHF incluso si no los cronometras en VHF) y estarías mejor con una entrada de 50 ohmios emparejada, ya que podrías conectar un cable largo (dentro de lo razonable) de 50 ohmios y seguir teniendo una entrada de 50 ohmios en el extremo del circuito, en lugar de una carga capacitiva aún mayor.

Con el tipo de sonda y entrada convencionales, sobrecargará fácilmente los circuitos de RF. Los osciloscopios optimizados para RF tienden a tener entradas que pueden cambiarse a una impedancia de entrada de 50 ohmios (cualquier entrada de osciloscopio puede, con un terminador paralelo/pasante) - lo cual es, curiosamente, MEJOR, ya que ahora puede utilizar sondas (por ejemplo, sondas Z0 o sondas FET activas) que en realidad pueden hacerse para presentar impedancias de entrada efectivas mucho más altas en el punto de la sonda. O simplemente proporcionar una conexión fiable de 50 ohmios a su circuito con cualquier cable RG58 antiguo.

Answer 4

La mayoría de los osciloscopios tienen un atenuador de entrada compensado para ajustar la señal de entrada a un voltaje en el rango de la etapa de entrada que normalmente tendrá la mayor sensibilidad del osciloscopio.

Este atenuador suele estar diseñado asumiendo una impedancia de entrada de 1 megaohmio, por lo que la impedancia de entrada que se ve en el conector de entrada suele ser el resultado de la resistencia física.

Si la impedancia medida cambia cuando se alimenta el osciloscopio, probablemente significa que hay relés que controlan el atenuador de entrada que no se activan en el estado sin alimentación.

Puede haber una selección de mayor sensibilidad con un ancho de banda reducido que se maneja aumentando la ganancia del amplificador. La selección de la ganancia también puede controlarse mediante una combinación de variación de la ganancia del amplificador y del atenuador de entrada.

En la sección esquemática adjunta la resistencia R108 proporciona la resistencia de entrada de 1 megaohmio cuando se selecciona la sensibilidad más alta. El JFET de entrada Q101 tiene una resistencia de entrada esencialmente infinita. las capacitancias parásitas forman la capacitancia vista en la entrada en la posición de mayor ganancia.

Con ganancias bajas, las resistencias R102, R103 y R104 (junto con R105, R106 y R107) que componen el atenuador de entrada determinan la resistencia de entrada.

Los trimmers C107, C108 y C109 se utilizan para ajustar la capacitancia de entrada en las selecciones de baja sensibilidad para que sea la misma que en el ajuste de alta sensibilidad.

Answer 5

Adenda, desde el punto de vista de la corriente continua, también sobre los multímetros:

Hay multímetros/voltímetros de banco que tienen una resistencia de entrada de CC mucho, mucho más alta (aun así, no hay una impedancia de entrada mucho más alta en RF). El uso de un dispositivo de este tipo resultará muy confuso para el usuario "medio" (sin duda para alguien que trabaje en el cableado de la casa, los vehículos o la maquinaria, más que en proyectos de electrónica a nivel de componentes): Cuando los cables de prueba no están conectados a nada o a un circuito abierto, cualquier capacitancia en los cables de prueba, los circuitos de entrada, etc. se cargarán por cualquier campo eléctrico que esté cerca, lo que llevará a una visualización de valores completamente aleatorios en lugar de cero voltios (intente trabajar con un multímetro de banco de resistencia de entrada de 100GOhm, verá justo estos efectos en la práctica...).

Además, un dispositivo con una resistencia de entrada en los teraohmios tendrá que ser extremadamente resistente a la electricidad estática, ya que NO puede disipar de forma inherente las cargas de potencialmente miles de voltios que se encuentran fácilmente en el entorno - y los circuitos de protección ESD que de forma fiable no introducen resistencias de fuga o, peor aún, sumideros de corriente de fuga que comprometerían la alta resistencia de entrada parece ser difícil de hacer...

Además, la mayoría de los multímetros manuales (no todos los de sobremesa lo hacen) utilizan trucos bastante sofisticados (por ejemplo, el uso de un reloj ADC que tiene una relación con la frecuencia de la red eléctrica de la región en la que se venden) para filtrar el zumbido de la red eléctrica de los resultados, que de otro modo conduciría de nuevo a resultados inestables y aleatorios incluso a "bajos" 1MOhm o 10MOhm (compárese con una sonda de osciloscopio de circuito abierto... sin embargo, en un DMM, hay mucho más potencial para la mala interpretación).