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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Aktiver Tastkopf am Operationsverstärker für das Oszilloskop. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Breitbandverstärker mit hoher Eingangsimpedanz, niedriger Eingangskapazität und niedriger Ausgangsimpedanz werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Eine der Anwendungen sind Eingangstastköpfe für Oszilloskope und andere Messgeräte. Wie in diesem Artikel gezeigt, ermöglichen moderne Operationsverstärker von Analog Device, dieses Problem mit einfachen Mitteln zu lösen. Ein Oszilloskop ist eines der vielseitigsten Instrumente, mit dem Sie eine Vielzahl elektrischer Signalparameter messen und die Einrichtung elektronischer Geräte häufig erheblich vereinfachen können. In manchen Fällen ist es einfach unersetzlich. Viele kennen jedoch die Situation, wenn der Anschluss eines Oszilloskops an ein benutzerdefiniertes Gerät zu einer Verletzung seiner Modi führt. Dies ist in erster Linie auf die Kapazität und den Widerstand des Eingangs des Oszilloskops und seines Verbindungskabels zurückzuführen, die in den untersuchten Stromkreis eingeführt werden. Die meisten von Funkamateuren verwendeten Oszilloskope haben eine hohe Eingangsimpedanz (1 MΩ) und eine Eingangskapazität von 5 ... 20 pF. In Kombination mit einem etwa einen Meter langen geschirmten Eingangskabel erhöht sich die Gesamtkapazität auf 100 pF oder mehr. Bei Geräten, die mit Frequenzen über 100 kHz betrieben werden, kann diese Kapazität einen erheblichen Einfluss auf die Messergebnisse haben. Um diesen Nachteil zu beseitigen, verwenden Funkamateure ein ungeschirmtes Kabel (sofern der Signalpegel hoch genug ist) oder eine spezielle aktive Sonde, die einen Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz enthält, der normalerweise auf Feldeffekttransistoren basiert [1-3]. Durch die Verwendung einer solchen Sonde wird die in das Gerät eingebrachte Kapazität erheblich reduziert. Die Nachteile einiger von ihnen sind jedoch die geringe Verstärkung oder das Vorhandensein einer Pegelverschiebung am Ausgang, was die Messung der Gleichspannung erschwert. Darüber hinaus verfügen sie über einen engen Betriebsfrequenzbereich (bis zu 5 MHz), was ihren Einsatz ebenfalls einschränkt und kurze Verbindungskabel erfordert. Die in [2] beschriebene Sonde hat etwas bessere Parameter. Es ist zu beachten, dass alle diese Tastköpfe effektiv mit Oszilloskopen arbeiten können, die über eine hohe Eingangsimpedanz verfügen. Derzeit werden immer häufiger Breitbandoszilloskope mit einem Betriebsfrequenzbereich von bis zu 100 MHz und höher und einer niedrigen Eingangsimpedanz von 50 Ohm verwendet, sodass der Anschluss an ein kundenspezifisches Gerät oft nahezu unmöglich ist. Nicht alle sind mit aktiven Sonden ausgestattet und die Verwendung von Widerstandsteilern führt zu einer spürbaren Verringerung der Empfindlichkeit. Die aktive Sonde, deren Beschreibung den Lesern zur Verfügung gestellt wird, weist diese Mängel nicht auf. Es funktioniert mit verschiedenen Oszilloskopen, deren Eingangsimpedanz niederohmig (50 Ohm) oder hochohmig (bis 1 MΩ) sein kann, hat einen Betriebsfrequenzbereich von 0 ... 80 MHz und eine recht hohe Eingangsimpedanz bei niedrigen Frequenzen - 100 kOhm. Sein Übertragungsfaktor beträgt 1 oder 10, d.h. Es schwächt das Signal nicht nur nicht, sondern verstärkt es auch. Zu den Vorteilen der Sonde zählen ihre geringen Abmessungen. Diese Parameter wurden durch den Einsatz eines modernen Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärkers von Analog Devices erreicht. Insbesondere verwendet dieser Tastkopf den Operationsverstärker AD812AN, der die folgenden Hauptmerkmale aufweist: Obere Betriebsfrequenz – nicht weniger als 100 MHz; Eingangswiderstand - 15 MΩ mit einer Eingangskapazität von 1,7 pF; Eingangsspannung - bis zu +13,5 V und Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung - 1600 V / μs; Ausgangsstrom (bei einem Ausgangswiderstand von 15 Ohm) - bis zu 50 mA; Stromverbrauch ohne Eingangssignal - 6 mA. Darüber hinaus verfügt der Operationsverstärker über niedrige Oberwellen (-90 dB bei 1 MHz und einer Last von 1 kΩ) und geringes Rauschen (3,5 nV/^Hz), Schutz gegen K3 (Strom begrenzt auf 100 mA), Verlustleistung in einem kleinen Paket groß genug - 1 W. Hinzu kommt, dass der Preis einer Mikroschaltung mit zwei Operationsverstärkern mit solchen Parametern relativ niedrig ist (3 bis 4 US-Dollar). Das Schema der aktiven Sonde ist in Abb. dargestellt. 1. Im Grunde entspricht es dem Standard-Operationsverstärker-Schaltkreis. Der Übertragungskoeffizient KU wird durch Umschalten SA1 der Elemente des Rückkopplungskreises geändert und hat zwei Werte: 1 und 10. Schalter SA2 wählt den Betriebsmodus: bei „geschlossenem“ Eingang, wenn der Kondensator C1 am Eingang eingeschaltet ist und Der Gleichstromanteil der Spannung gelangt nicht zum Eingang, bzw. bei „offenem“ Eingang, wenn er passiert.
Der Frequenzgang der Sonde beim Betrieb an einer Last mit einem Widerstand von 50 Ohm ist bei unterschiedlichen Übertragungskoeffizienten etwas unterschiedlich. Für Ku=1 weist er bei Frequenzen von 20...25 MHz einen leichten Anstieg (bis zu 20...45 %) auf und sinkt bei Frequenzen von 0,7...70 MHz auf einen Wert von 80 und bei Frequenzen auf einen Wert von 0,3 bei 100 MHz. Für Ku=10 ist der Frequenzgang bis 20 MHz flach und fällt bei einer Frequenz von 7 MHz sanft auf 40 ab und fällt bei einer Frequenz von 100 MHz auf 3 ab. Wenn der Tastkopf über ein 1 m langes Hochfrequenzkabel mit einem Oszilloskop oder Frequenzmesser mit großer Eingangsimpedanz (normalerweise Rin = 1 MΩ) verbunden ist, erreicht die Amplitude der maximalen Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 12 V (mit Upit = +15 V) bei Frequenzen bis 10 ... 15 MHz und sinkt allmählich auf 3 V bei Frequenzen von 30 ... 40 MHz. Bei Belastung des Tastkopfes am niederohmigen Eingang (Rin = 50 Ohm) des Oszilloskops beträgt die maximale Ausgangsspannung 4 V bei Frequenzen bis 1 MHz und sinkt bei Frequenzen von 0,5 ... 30 MHz auf 40 V. Es ist besonders zu beachten, dass Sie durch das Vorhandensein des Verstärkungsmodus Eingangssignale mit einer Amplitude von 10 ... 200 μV auf dem Oszilloskopbildschirm mit einer Empfindlichkeit von 300 mV pro Teilung beobachten können! Am Verstärkereingang ist ein relativ kleiner Widerstand R3 (100 kOhm) eingebaut. Dies liegt daran, dass der Eingangsstrom des Operationsverstärkers Bruchteile von µA beträgt und der Offset des Gleichspannungspegels am Ausgang in diesem Fall etwa 50 mV bei KU = 1 oder 500 mV bei Ku = 10 beträgt. Dies ist ein Anstieg Widerstand führt zu einer entsprechenden Erhöhung der Vorspannung. Wie die Praxis der Messung breitbandiger Signale zeigt, reicht eine Eingangsimpedanz der Sonde in der Größenordnung von 100 kOhm völlig aus. Es ist möglich, ihn durch entsprechende Änderung von R1 auf bis zu 3 MΩ zu erhöhen, dies führt jedoch zu den oben genannten Konsequenzen. Bei hohen Frequenzen ist der Eingangswiderstand geringer und meist kapazitiv, was jedoch keinen Einfluss auf den Messvorgang hat, da hochohmige Schaltkreise bei hohen Frequenzen selten sind. Über das Design. Die meisten Sondenteile sind auf einer Leiterplatte aus doppelseitiger Glasfaserfolie platziert, deren Skizze in Abb. dargestellt ist. 2. Auf einer Seite davon sind ein Operationsverstärker und alle Widerstände platziert, auf der zweiten Seite die Kondensatoren C2-C5. Die Verbindungen zwischen den Montageseiten werden durch Leiter durch Löcher in der Platine hergestellt. Die Schalter sind am Sondenkörper installiert und der Kondensator C1 ist direkt an SA1 installiert.
Der Sondenkörper (Abb. 3) besteht aus einem Kunststoffrohr 1 (aus einem Filzstift mit einem Durchmesser von ca. 18 mm), das in ein Metallgehäuse 2 eingesetzt ist. Im Inneren des Rohrs befindet sich die Platine 3, die Schalter SA1 und SA2 (4 und 5) sind darauf befestigt. Durch den Boden des Rohrs werden die Anschluss- und Versorgungsdrähte herausgeführt - 6. Der gemeinsame Draht der Platine wird mit dem Gehäuse verbunden und durch das Loch darin wird der Draht für den Metallstift X1 - 7 herausgeführt. Alles Interne Verbindungen müssen mit einem Kabel minimaler Länge und externe – Strom- und Signalkreise – mit abgeschirmtem bzw. HF-Kabel hergestellt werden.
Da einer der beiden Operationsverstärker in der Mikroschaltung nicht verwendet wird, sind seine Eingänge (Pins 5 und 6) mit einem gemeinsamen Kabel verbunden. Beim Einrichten des Geräts kommt es auf die Einstellung der erforderlichen Verstärkung an, die bei Betrieb des Tastkopfes mit einem Oszilloskop mit hoher Eingangsimpedanz durch Auswahl des Widerstands R10 (bei geschlossenem SA10) auf 1 bei einer Frequenz von 1 MHz eingestellt wird. Wird der Tastkopf mit einem Oszilloskop mit niederohmigem Eingang verwendet, wird ein Teil des Ausgangssignals durch den Abschlusswiderstand R5 gelöscht. Daher wird ein Widerstand R6 in den Stromkreis eingeführt, und durch Auswahl seines Widerstandswerts (wenn SA1 offen ist) wird der Übertragungskoeffizient auf 1 eingestellt. Wenn SA1 geschlossen ist (Hochempfindlichkeitsmodus), wird durch Auswahl die Verstärkung auf 10 eingestellt Widerstand R1. Widerstände MLT, S2-10, S2-33, R1-12, Kondensatoren C1-C3 der KM-Serie oder andere kleine (K10-17, K10-47), C4, C5 - K52-Gruppen oder ähnliches sind anwendbar das Gerät. Sie können die Breitband-Operationsverstärker AD812AR oder AD817AN, AD818AN desselben Unternehmens verwenden, die aufgrund der geringeren Bandbreite (50 MHz) günstiger sind, aber ihre Verwendung führt auch zu einer Reduzierung des Betriebsfrequenzbandes. Zur Stromversorgung der Sonde ist ein bipolar stabilisiertes Netzteil mit einer Ausgangsspannung von % 12 ... 15 V erforderlich. Es ist zu beachten, dass der verbrauchte Strom bei fehlendem Signal im Betrieb 10 ... 15 mA beträgt Bei einer niederohmigen Last kann der Strom beim Anlegen eines Signals auf bis zu 100 mA ansteigen. Literatur
Autor: I. Nechaev, Kursk
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