Demande d'examen: sonde d'oscilloscope différentiel DIY DC à 50 MHz

Étant donné le coût des sondes différentielles appropriées, j'ai décidé de créer la mienne. Les exigences sont les suivantes:

• Bande passante DC à 50 MHz 3db
• Quelques plages de tension d'entrée sélectionnables, de 3V pk-pk à 300 V pk-pk
• Meilleur taux de réjection en mode commun 1/500
• Un chiffre de bruit "assez bon"
• Réalisable avec la sélection limitée de pièces de mon magasin d'électronique local
• Disposition réalisable pour un PCB 2 faces gravé à la maison avec des composants soudés à la main.

J'ai peu d'expérience dans la conception de circuits analogiques à haute vitesse, donc j'aimerais recevoir des commentaires, y compris des critiques, sur la conception conceptuelle. J'ai également quelques questions concernant des aspects spécifiques de la mise en œuvre:

• Puis-je m'en sortir sans que l'impédance ne corresponde aux deux extrémités du câble coaxial , étant donné que le signal transporté atteindrait à peine 50 MHz et que le câble mesure moins de 1 m de long? Je préférerais seulement terminer l'extrémité de l'oscilloscope en 50 ohms (et entraîner directement le câble coaxial à l'extrémité de la sonde), car une résistance série de 50 ohms à l'extrémité de la sonde diviserait la tension vue par l'oscilloscope par 2.

• Les sources de courant BJT sont-elles suffisamment rapides pour descendre une constante de 5 mA étant donné un signal de 50 MHz à haute amplitude (3 V pk-pk à la porte JFET)?

• L'ajout d'une inductance entre la source de chaque JFET et le collecteur du BJT correspondant est-il un moyen raisonnable d'assurer un courant de drain JFET constant à des fréquences plus élevées, ou un tel circuit oscille-t-il inévitablement?

• Dans quelle mesure ma disposition de PCB est-elle saine , y a-t-il des lacunes flagrantes? Que ferais-tu différemment?

Pour prendre en charge diverses plages de tension, ma conception préliminaire repose sur des atténuateurs passifs externes qui se branchent sur le connecteur d'en-tête à 3 broches (J1). Les atténuateurs auront des résistances de trimmer et des condensateurs pour faire correspondre les entrées inverseuses et non inverseuses sur toute la plage de fréquences. L'illustration ci-dessous est un atténuateur 1:10 (plage d'environ +/- 30 V).

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

L'amplificateur frontal est réalisé avec des suiveurs de source JFET afin de fournir une impédance élevée à l'étage atténuateur. Cette topologie a été choisie afin de contourner le courant de polarisation d'entrée relativement élevé (pire cas 2μA) de l'ampli op disponible. Les sources de courant à transistor bipolaire assurent un courant de drain relativement stable aux JFET sur toute la plage de tension d'entrée.

L'amplificateur différentiel basé sur un ampli op est également chargé de piloter 1 m de câble coaxial 50 ohms RG-174. Bien que l'ampli op soit annoncé comme étant capable de piloter directement le câble coaxial, il existe des empreintes pour les résistances de terminaison.

L'alimentation est fournie par une batterie de 9 V, l'autre moitié de l'ampli op servant de source de masse virtuelle. Une LED rouge remplit la double fonction d'indication que la sonde est allumée et fournit une tension de polarisation de ~ 1,8 V pour les sources de courant.

Composants:

• Faible fuite (<5nA), diodes de protection d'entrée 2pF : BAV199
• JFET: SST310
• BJT: BC847b
• 70 MHz GBW, ampli double op 1 kV / μs: LT1364
• 4x résistances de précision (0,1%, 2,2kΩ) pour la section d'ampli diff.

Après avoir réellement construit la chose

Je peux enfin répondre à ma propre question avec le recul. J'ai construit le circuit comme indiqué dans la question, avec un atténuateur 1:10.

• Puis-je m'en sortir sans que l'impédance ne corresponde aux deux extrémités du coaxial ...

  Oui, mais l'intégrité du signal en souffre. La trace bleue est une onde carrée de temps de montée et de descente de ~ 6 ns (générée par un oscillateur de relaxation basé sur 74HC14 ) telle que mesurée avec une sonde passive standard 1:10. Dans les quatre premières captures d'écran, la trace jaune est la sortie de la sonde différentielle DIY, multipliée par 10 par l'oscilloscope, comme connecté dans le diagramme. La dernière capture d'écran montre que le connecteur SMA est directement sondé par une autre sonde passive 1:10. La portée est un Rigol DS1052E 50 MHz, avec des entrées 1MΩ 15pF.

  

  Comme on peut le voir, la terminaison des deux extrémités donne un signal propre sans dépassement, mais avec seulement environ 13 MHz de bande passante. Le temps de montée le plus rapide est obtenu en évitant de charger l'opamp, ce qui indique qu'une faible impédance de charge ralentit considérablement l'ampli.

• Les sources de courant BJT sont-elles suffisamment rapides pour faire chuter une constante de 5 mA ...

  Oui. Les tampons JFET et leurs sources de courant de polarisation fonctionnent parfaitement en ce qui concerne la réponse en fréquence. La bande passante est goulot d'étranglement par le choix opamp.

• L'ajout d'une inductance entre la source de chaque JFET et le collecteur du BJT correspondant est-il un moyen raisonnable d'assurer un courant de drain JFET constant ...

  Ce n'était pas nécessaire, donc je n'ai pas essayé. Aucune idée.

• Quelle est la logique de ma disposition PCB ...

  Je n'ai eu aucun problème concernant la disposition elle-même, mais j'aurais dû concevoir la carte avec un montage sur un boîtier blindé. Le rétrécissement thermique ne fera absolument rien, les circuits à très haute impédance sont très sensibles à toutes sortes d'interférences. Même en déplaçant ma main sous la table, la sonde se trouve sur affecte les mesures par couplage capacitif.

Une lacune imprévue de ma conception est l'incapacité de corriger la tension de décalage de sortie. Il s'avère que les JFET sont des flocons de neige uniques: la tension de seuil peut varier de plusieurs centaines de millivolts, même dans les transistors d'un même lot. Quand j'ai construit la sonde pour la première fois, elle produisait +600 mV avec les sondes en court-circuit. J'ai dessoudé les JFET, testé tout ce qui était dans ma boîte de pièces et soudé les deux qui correspondaient le mieux à la carte. Maintenant, le décalage est un + 30mV plus petit, mais toujours significatif. Les futures révisions devraient avoir un mécanisme pour compenser cette tension de décalage avec un potentiomètre de trimmer.

Un autre problème est la plage de tension d'entrée. Les tensions négatives sont gérées linéairement jusqu'à -30 V et moins, mais les tensions positives supérieures à +6 V (atténuées à +0,6 V) induisent progressivement de plus en plus de distorsion. Cela est dû aux saturateurs de source JFET qui saturent lorsqu'ils frappent le rail d'alimentation positif, exacerbés par la tension de seuil grille-drain de -2,1 V, ce qui signifie qu'une entrée 0 V provoque déjà une sortie +2,1 V.
La solution appropriée consiste à polariser les atténuateurs à -2,1 V au lieu de la masse.

Vous avez fait beaucoup de bon travail ici.

Mais les pièces que vous avez choisies ne peuvent pas répondre à vos spécifications.

Avez-vous des spécifications de conception?
Pas de dépassement% (sur un câble terminé par 50R), erreur de gain 0 ~ 50 MHz, décalage CC, alimentation, interrupteur marche / arrêt? Niveau de protection ESD? Broches de court-circuitage pour le stockage?

Pensez-vous que les diodes BAS seront assez rapides pour protéger les FET des ESD avec une connexion directe? Je me souviens que dans les années 80, beaucoup de jeunes EE soufflaient les FET frontaux sur des sondes Diff tamponnées Tek FET qui soufflaient avec 25V. J'ajouterais la série R pour limiter le courant à l'entrée et remplacerais le BAV99 par les diodes ESD de TI. 0.5pF TPD1E04U04. Les diodes doivent conduire plus vite que les FET pour les protéger et l'ESD peut être de 10 ampères pour les picosecondes.

J'aurais peut-être envisagé le kit d'évaluation pour la mise en page de l' AD8001 .

16 En stock GRATUIT Livraison le jour ouvrable suivant £ 8.04 De RS Electronics

Spécifications: capacité d'entrée de 1,5pF 800 MHz GBW, PSRR> 50 dB

Choisissez un gain x1 x10 avec une sélection de gain intégrée.
Câble 50 Ohm et terminaison 50 Ohm de pour une bande passante complète de 800 MHz à 80 MHz.

Utilisez la conception mécanique de la sonde FET Diff de Tektronics pour les broches de la sonde. Bien que les nouveaux modèles Tek commencent à 6 000 $, ils fonctionnent jusqu'à des gammes x GHz. Mais pour les fils de soudure portables et jetables, considérez leurs sondes.

Puisqu'il s'agit d'une puce de rétroaction de courant, l'impédance d'entrée n'est pas conventionnelle
+ Entrée 10 MΩ - Entrée
50 Ω