Richiesta di revisione: sonda oscilloscopio differenziale da DC DC a 50 MHz

Dato il costo delle sonde differenziali adeguate, ho deciso di crearne una mia. I requisiti sono:

• Larghezza di banda 3db da DC a 50 MHz
• Alcuni intervalli di tensione di ingresso selezionabili, da 3 V pk-pk a 300 V pk-pk
• Migliore di 1/500 rapporto di reiezione di modo comune
• Una figura di rumore "abbastanza buona"
• Realizzabile con la selezione limitata di parti dal mio negozio di elettronica locale
• Layout realizzabile per un PCB a 2 facciate inciso a casa con componenti saldati a mano.

Ho poca esperienza nella progettazione di circuiti analogici ad alta velocità, quindi mi piacerebbe ricevere feedback, anche critiche, sulla progettazione concettuale. Ho anche alcune domande su aspetti specifici dell'attuazione:

• Potrei allontanarmi senza l'impedenza adattando entrambe le estremità del coassiale , dato come il segnale trasportato raggiungerebbe a malapena i 50 MHz e il cavo sia lungo meno di 1 m? Preferirei solo terminare l'estremità dell'oscilloscopio in 50 ohm (e guidare direttamente il coassiale all'estremità della sonda), poiché un resistore in serie di 50 ohm all'estremità della sonda dividerebbe la tensione vista dall'oscilloscopio per 2.

• Le fonti di corrente BJT sono abbastanza veloci da assorbire una costante di 5 mA dato un segnale ad alta ampiezza (3 V pk-pk alla porta JFET) 50 MHz?

• L'aggiunta di un induttore tra la sorgente di ciascun JFET e il collettore del corrispondente BJT è un modo ragionevole per garantire una corrente di drenaggio costante del JFET a frequenze più elevate o tale circuito oscilla inevitabilmente?

• Quanto è sano il mio layout PCB , ci sono carenze evidenti? Cosa faresti diversamente?

Per supportare varie gamme di tensione, il mio progetto preliminare si basa su attenuatori passivi esterni che si collegano al connettore dell'intestazione a 3 pin (J1). Gli attenuatori avranno resistori e condensatori di trimmer per abbinare gli ingressi di inversione e di non inversione su tutto il campo di frequenza. Di seguito è illustrato un attenuatore 1:10 (intervallo di circa +/- 30 V).

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Il front-end dell'amplificatore è realizzato con follower della sorgente JFET per fornire un'alta impedenza allo stadio dell'attenuatore. Questa topologia è stata selezionata per eludere la corrente di polarizzazione in ingresso relativamente elevata (nel peggiore dei casi 2μA) dell'amplificatore operazionale disponibile. Le fonti di corrente a transistor bipolari assicurano una corrente di drain relativamente stabile ai JFET nell'intero intervallo di tensioni di ingresso.

L'amplificatore differenziale basato su amplificatore operazionale è anche responsabile della guida di 1 m di coassiale RG-174 da 50 ohm. Mentre l'amplificatore operazionale è pubblicizzato come in grado di guidare direttamente il coassiale, ci sono impronte per resistori di terminazione.

L'alimentazione è fornita da una batteria da 9 V, con l'altra metà dell'amplificatore operante che funge da sorgente di terra virtuale. Un LED rosso svolge la doppia funzione di indicare che la sonda è accesa e di fornire una tensione di polarizzazione di ~ 1,8 V per le fonti di corrente.

componenti:

• Diodi di protezione ingresso a bassa dispersione (<5nA), 2pF: 2pF BAV199
• JFET: SST310
• BJT: BC847b
• Amplificatore operazionale doppio da 70MHz GBW, 1kV / μs: LT1364
• 4x resistori di precisione (0,1%, 2,2kΩ) per la sezione di amplificatore diff.

Dopo aver effettivamente costruito la cosa

Posso finalmente rispondere alla mia domanda col senno di poi. Ho costruito il circuito come indicato nella domanda, con un attenuatore 1:10.

• Potrei scappare senza impedenza abbinando entrambe le estremità del coassiale ...

  Sì, ma l'integrità del segnale ne risente. La traccia blu è un'onda quadrata di tempo di salita e discesa di ~ 6 ns (generata da un oscillatore di rilassamento basato su 74HC14 ) misurata con una sonda passiva 1:10 standard. Nei primi quattro screenshot la traccia gialla è l'uscita della sonda differenziale fai-da-te, moltiplicata per 10 per l'oscilloscopio, come collegato nel diagramma. L'ultima schermata è il connettore SMA che viene sondato direttamente da un'altra sonda passiva 1:10. L'ambito è un Rigol DS1052E da 50 MHz, con ingressi da 1MΩ 15pF.

  

  Come si può vedere, terminando entrambe le estremità si ottiene un segnale pulito senza superamento, ma con solo circa 13 MHz di larghezza di banda. Il tempo di salita più veloce si ottiene evitando di caricare l'opamp, indicando che una bassa impedenza di carico rallenta molto gravemente l'opamp.

• Le fonti di corrente BJT sono abbastanza veloci da assorbire una costante 5 mA ...

  Sì. I buffer JFET e le loro fonti di corrente di polarizzazione funzionano in modo impeccabile quando si tratta di risposta in frequenza. La larghezza di banda è strozzata dalla scelta opamp.

• L'aggiunta di un induttore tra la sorgente di ciascun JFET e il collettore del BJT corrispondente è un modo ragionevole per garantire una corrente di drenaggio JFET costante ...

  Non era necessario, quindi non ci ho provato. Nessuna idea.

• Quanto è sano il mio layout PCB?

  Non ho avuto problemi relativi al layout stesso, ma avrei dovuto assolutamente progettare la scheda pensando al montaggio su una custodia schermata. Il restringimento del calore non lo farà assolutamente, i circuiti ad alta impedenza sono molto sensibili a tutti i tipi di interferenza. Anche spostando la mano sotto il tavolo su cui si trova la sonda influisce sulle misurazioni mediante accoppiamento capacitivo.

Una mancanza imprevista con il mio progetto è l'incapacità di correggere la tensione di offset dell'uscita. A quanto pare, i JFET sono fiocchi di neve unici: la tensione di soglia può variare di diverse centinaia di millivolt, anche nei transistor dello stesso lotto. Quando ho costruito la sonda per la prima volta, ha prodotto +600 mV con le sonde in cortocircuito.Ho dissaldato i JFET, ho testato tutto ciò che era nella mia scatola delle parti e ho saldato i due che si abbinavano meglio alla scheda. Ora l'offset è + 30mV più piccolo, ma comunque significativo. Le revisioni future dovrebbero avere un meccanismo per compensare questa tensione di offset con un potenziometro.

Un altro problema è l'intervallo di tensione in ingresso. Le tensioni negative vengono gestite linearmente fino a -30 V e inferiori, ma tensioni positive superiori a +6 V (attenuate a +0,6 V) inducono gradualmente sempre più distorsione. Ciò è causato dalla saturazione dei follower della sorgente JFET quando colpiscono la guida di alimentazione positiva, esacerbata dalla tensione di soglia del gate-drain di -2,1 V, il che significa che un ingresso 0 V provoca già un'uscita +2,1 V.
La soluzione corretta è quella di inclinare gli attenuatori a -2,1 V anziché a terra.

Hai fatto molto buon lavoro qui.

Ma le parti che hai scelto non possono assolutamente soddisfare le tue specifiche.

Hai delle specifiche di design?
Passaggio% di superamento (su cavo terminato con 50R), errore di guadagno 0 ~ 50 MHz, DC offset, Pwr, interruttore on / off? Livello di protezione ESD? Pin di corto circuito per la conservazione?

Pensi che i diodi BAS saranno abbastanza veloci da proteggere i FET dall'ESD con connessione diretta? Ricordo negli anni '80 un sacco di giovani EE che soffiavano i FET front-end su Sonde Diff bufferate Tek FET che esplodevano con 25V. Vorrei aggiungere la serie R per limitare la corrente in ingresso e sostituire BAV99 con diodi ESD TI. 0.5pF TPD1E04U04. I diodi devono condurre più velocemente dei FET per proteggerli e ESD può essere di 10 amp per picosecondi.

Potrei aver considerato il kit di valutazione per il layout di AD8001 .

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Specifiche: capacità di ingresso 1,5pF 800 MHz GBW, PSRR> 50 dB

Scegli guadagno x1 x10 con la selezione del guadagno integrata.
Utilizzare preferibilmente un cavo da 50 Ohm e un terminatore da 50 Ohm per una larghezza di banda completa da 800 MHz a 80 MHz.

Utilizzare il design meccanico della sonda fet fet di Tektronics per i pin della sonda. Sebbene i nuovi modelli Tek inizino a $ 6k, funzionano fino a intervalli di x GHz. Ma per i terminali di saldatura portatili e monouso considerare le loro sonde.

Poiché si tratta di un chip di feedback corrente, l'impedenza di ingresso è non convenzionale
+ Ingresso 10 MΩ
–Input 50 Ω