Solicitud de revisión: Sonda de osciloscopio diferencial de CC a 50MHz de bricolaje

Question

Dado el coste de las sondas diferenciales adecuadas, he decidido fabricar las mías propias. Los requisitos son:

• DC a 50 MHz 3db de ancho de banda
• Varios rangos de tensión de entrada seleccionables, desde 3V pk-pk hasta 300 V pk-pk
• Relación de rechazo de modo común mejor que 1/500
• Una cifra de ruido "suficientemente buena"
• Realizable con la limitada selección de piezas de mi tienda local de electrónica
• Diseño factible para una placa de circuito impreso de 2 caras grabada en casa con componentes soldados a mano.

Tengo poca experiencia en el diseño de circuitos analógicos de alta velocidad, así que me encantaría recibir comentarios, incluso críticas, sobre el diseño conceptual. También tengo algunas preguntas sobre aspectos específicos de la implementación:

• ¿Podría prescindir de la adaptación de la impedancia en ambos extremos del coaxial? ¿a qué se debe que la señal transportada apenas llegue a 50 MHz y que el cable tenga menos de 1 m de longitud? Yo preferiría sólo terminar el extremo del osciloscopio en 50 ohmios (y conducir directamente el coaxial en el extremo de la sonda), ya que una resistencia en serie de 50 ohmios en el extremo de la sonda dividiría la tensión vista por el osciloscopio por 2.

• ¿Son las fuentes de corriente BJT lo suficientemente rápidas como para hundir un 5 mA constante dada una señal de gran amplitud (3 V pk-pk en la puerta del JFET) de 50 MHz?

• ¿Es la adición de un inductor entre la fuente de cada JFET y el colector del BJT correspondiente una forma razonable de asegurar una corriente de drenaje constante del JFET? a frecuencias más altas, ¿o un circuito así oscila inevitablemente?

• ¿Cómo de sano es mi diseño de PCB? ¿hay alguna carencia evidente? ¿Qué haría usted de forma diferente?

---

Para soportar varios rangos de tensión, mi diseño preliminar se basa en atenuadores pasivos externos que se conectan al conector de cabecera de 3 pines (J1). Los atenuadores tendrán resistencias y condensadores de ajuste para igualar las entradas inversoras y no inversoras en todo el rango de frecuencias. A continuación se ilustra un atenuador 1:10 (rango aproximado de +/- 30 V).

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

---

El front-end del amplificador se realiza con seguidores de fuente JFET para proporcionar una alta impedancia a la etapa del atenuador. Esta topología se seleccionó para evitar la corriente de polarización de entrada relativamente alta (en el peor de los casos 2A) del amplificador óptico disponible. Las fuentes de corriente de los transistores bipolares garantizan una corriente de drenaje relativamente estable para los JFET en todo el rango de tensión de entrada.

El amplificador diferencial basado en el amplificador óptico también es responsable de conducir 1 m de coaxial RG-174 de 50 ohmios. Aunque el amplificador óptico se anuncia como capaz de conducir el coaxial directamente, hay huellas para las resistencias de terminación.

La alimentación se realiza mediante una pila de 9 V, mientras que la otra mitad del amplificador operacional actúa como fuente virtual de tierra. Un LED rojo cumple la doble función de indicar que la sonda está encendida y proporcionar una tensión de polarización de ~1,8 V para las fuentes de corriente.

Componentes:

• Baja fuga (< 5nA), diodos de protección de entrada de 2pF: BAV199
• JFETs: SST310
• BJTs: BC847b
• 70MHz GBW, 1kV/s dual op amp: LT1364
• 4x resistencias de precisión (0,1%, 2,2k) para la sección del amplificador diferencial.

---

Answer 1

Después de construir la cosa

Por fin puedo responder a mi propia pregunta en retrospectiva. He construido el circuito como aparece en la pregunta, con un atenuador 1:10.

---

• ¿Podría prescindir de la adaptación de la impedancia en ambos extremos del coaxial?

  Sí, pero la integridad de la señal se resiente al hacerlo. El trazo azul es una onda cuadrada de tiempo de subida y bajada de ~6 ns (generada por un 74HC14 -basado en el oscilador de relajación) medido con una sonda pasiva estándar 1:10. En las cuatro primeras capturas de pantalla, la traza amarilla es la salida de la sonda diferencial DIY, multiplicada por 10 por el osciloscopio, tal como está conectada en el diagrama. La última captura de pantalla es el conector SMA siendo sondeado directamente por otra sonda pasiva 1:10. El osciloscopio es un Rigol DS1052E de 50 MHz, con entradas de 1M 15pF.

  

  Como se puede ver, la terminación de ambos extremos da como resultado una señal limpia sin sobreimpulso, pero con sólo unos 13 MHz de ancho de banda. El tiempo de subida más rápido se consigue evitando cargar el amplificador óptico, lo que indica que una baja impedancia de carga ralentiza mucho el amplificador óptico.

• ¿Son las fuentes de corriente BJT lo suficientemente rápidas como para hundir un 5 mA constante...

  Sí, los búferes JFET y sus fuentes de corriente de polarización se comportan de forma impecable en lo que respecta a la respuesta en frecuencia. El ancho de banda está limitado por la elección del amplificador óptico.

• ¿Es la adición de un inductor entre la fuente de cada JFET y el colector del BJT correspondiente una forma razonable de asegurar una corriente de drenaje constante del JFET...

  No era necesario, así que no lo intenté. Ni idea.

• Cómo de sano es mi diseño de PCB...

  No tuve ningún problema relacionado con el diseño en sí, pero debería haber diseñado la placa teniendo en cuenta el montaje en una caja blindada. La contracción por calor no sirve en absoluto, los circuitos de muy alta impedancia son muy susceptibles a todo tipo de interferencias. Incluso moviendo mi mano en la mesa sobre la que se asienta la sonda afecta a las mediciones por acoplamiento capacitivo.

Una deficiencia imprevista de mi diseño es la imposibilidad de corregir la tensión de offset de salida. Resulta que los JFETs son copos de nieve únicos: La tensión de umbral puede variar en varios cientos de milivoltios, incluso en transistores del mismo lote. Cuando construí la sonda por primera vez, que la salida de +600 mV con las sondas en cortocircuito. Desoldé los JFETs, probé todos los que había en mi caja de piezas y soldé los dos que mejor se adaptaban a la placa. Ahora el offset es menor, pero aún significativo, de +30mV. Las futuras revisiones deberían tener un mecanismo para compensar esta tensión de offset con un potenciómetro.

Otro problema es el rango de tensión de entrada. Las tensiones negativas se manejan linealmente hasta -30 V y por debajo, pero las tensiones positivas por encima de +6 V (atenuadas a +0,6 V) inducen gradualmente más y más distorsión. Esto se debe a que los seguidores de la fuente del JFET se saturan al llegar al carril de alimentación positivo, lo que se ve agravado por la tensión de umbral de drenaje de la puerta de -2,1 V, lo que significa que una entrada de 0 V ya provoca una salida de +2,1 V.
La solución adecuada es polarizar los atenuadores a -2,1 V en lugar de a tierra.

Answer 2

Has hecho un gran trabajo aquí.

Pero las piezas que ha elegido no pueden cumplir sus especificaciones.

¿Tiene especificaciones de diseño?
Paso %sobreimpulso (en cable terminado con 50R) , error de ganancia 0~50MHz, offset DC, Pwr, interruptor on/off? ¿Nivel de protección ESD? ¿Pines de cortocircuito para el almacenamiento?

¿Crees que los diodos BAS serán lo suficientemente rápidos para proteger los FETs de la ESD con una conexión directa? Recuerdo que en los años 80, muchos jóvenes ingenieros quemaron los FETs de la parte delantera de las sondas de difusión con buffer Tek FET, que se quemaron con 25V. Yo añadiría una serie R para limitar la corriente a la entrada y sustituye a BAV99". s con los diodos ESD de TI. 0.5pF TPD1E04U04. Los diodos deben conducir más rápido que los FET para protegerlos y la ESD puede ser de 10 amperios durante picosegundos.

---

Podría haber considerado la Kit de evaluación para el diseño de la AD8001 .

16 En stock para entrega GRATUITA al siguiente día laborable £8.04 De RS Electronics

Especificaciones: Capacitancia de entrada de 1,5pF 800 MHz GBW, PSRR >50dB

Elige la ganancia x1 x10 con la selección de ganancia incorporada.
Prefiero utilizar un cable de 50 ohmios y 50 ohmios terminador para un ancho de banda completo de 800MHz a 80MHz.

Utilice el diseño mecánico de la sonda Diff Fet de Tektronics para los pines de la sonda. Aunque los nuevos modelos de Tek comienzan en $6k, operan hasta rangos de x GHz. Pero para los cables de soldadura de mano y desechables considerar sus sondas.

Al tratarse de un chip de retroalimentación de corriente, la impedancia de entrada es poco convencional
+Entrada 10 M
-Entrada 50