示波器运算放大器上的有源探头。方案、说明

示波器运算放大器上的有源探头。无线电电子电气工程百科全书

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具有高输入阻抗、低输入电容和低输出阻抗的宽带放大器用于多种应用。一种应用是用作示波器和其他测量设备的输入探头。如本文所示，现代模拟器件运算放大器可以让您通过简单的方法解决这个问题。

示波器是最通用的仪器之一，可让您测量电信号的各种参数，并且通常可以显着简化电子设备的设置过程。在某些情况下，它简直是不可替代的。然而，许多人都熟悉将示波器连接到正在配置的设备会导致违反其模式的情况。其原因主要是示波器输入端的电容和电阻及其引入到所研究的电路中的连接电缆。

业余无线电爱好者使用的大多数示波器都具有高输入阻抗 (1 MOhm) 和 5...20 pF 的输入电容。与约一米长的连接屏蔽输入电缆相结合，总电容增加至 100 pF 或更高。对于工作频率高于 100 kHz 的设备，该电容会对测量结果产生重大影响。

为了消除这个缺点，业余无线电爱好者使用非屏蔽线（如果信号电平足够大）或特殊的有源探头，其中包括具有高输入阻抗的放大器，通常由场效应晶体管制成[1-3]。使用这种探头可以显着减少引入设备的电容量。然而，其中一些的缺点是增益低或输出处存在电平偏移，使得测量直流电压变得困难。此外，它们的工作频率范围较窄（最高 5 MHz），这也限制了它们的使用并且需要较短的连接电缆。 [2]中描述的探针具有稍微更好的参数。应该注意的是，所有这些探头也可以与具有高输入阻抗的示波器有效地配合使用。

目前，工作频率范围高达 100 MHz 及更高、输入阻抗为 50 欧姆的宽带示波器变得越来越普遍，因此将它们连接到定制设备通常几乎是不可能的。并非所有探头都配备有源探头，并且使用电阻分压器会导致灵敏度明显下降。

引起读者注意的有源探头没有这些缺点。它与各种示波器配合使用，输入阻抗可以是低阻抗 - 50 Ohms 或高阻抗 - 高达 1 MOhm，工作频率范围为 0...80 MHz，低频时具有相当高的输入阻抗- 100 欧姆。其传输系数为1或10，即信号不但没有减弱，反而增强了。探头的优点包括尺寸小。

这些参数是通过使用 Analog Devices 的现代高速运算放大器来实现的。特别地，该探头采用AD812AN运放，其具有以下主要特点：

较高工作频率 - 至少 100 MHz；输入电阻 - 15 MOhm，输入电容为 1,7 pF；输入电压 - 高达 +13,5 V，输出电压上升速率 - 1600 V/μs；输出电流（输出电阻为 15 欧姆）- 高达 50 mA；无输入信号时的电流消耗为 6 mA。

此外，运算放大器具有低谐波水平（在 90 MHz 频率和 1 kOhm 负载时为 -1 dB）和低噪声水平 (3,5 nV/^Hz)、K3 保护（电流限制为100 mA），小外壳消耗的功率相当大 - 1 W。应该补充的是，包含两个具有此类参数的运算放大器的微电路的价格相对较低（3...4 美元）。

有源探头原理图如图所示。 1. 基本上对应标准运放连接电路。传递系数 KU 通过切换反馈电路的 SA1 元件来改变，有两个值：1 和 10。开关 SA2 选择工作模式：“闭合”输入，当电容器 C1 在输入端导通且恒定电压时组件不会传递到输入，或者在传递时具有“开放”入口。

示波器运算放大器上的有源探头

对于不同的传输比，探头在 50 欧姆电阻的负载上工作时的频率响应略有不同。对于 Ku=1，它在 20...25 MHz 频率处略有上升（高达 20...45%），在 0,7...70 MHz 频率处下降至 80 水平，并下降至 0,3 水平在 100 MHz 时。对于 Ku=10，频率响应在 20 MHz 之前保持平坦，并在 7 MHz 频率处平滑降至 40，在 100 MHz 频率处降至 3。

当探头通过1 m长的高频电缆连接到高输入电阻（通常Rin = 1 MOhm）的示波器或频率计时，运放的最大输出电压幅度达到12 V（在Upit = +15 V），频率高达 10...15 MHz，频率为 3...30 MHz 时平滑降至 40 V。当探头加载到示波器的低电阻输入（Rin = 50 Ohm）时，最大输出电压在频率高达 4 MHz 时为 1 V，在频率 0,5...30 MHz 时降至 40 V。应该特别注意的是，放大模式的存在允许您在示波器屏幕上观察幅度为 10...200 µV 的输入信号，灵敏度为每格 300 mV！

放大器输入端安装了一个相对较小的电阻 R3 (100 kOhm)。这样做是因为运算放大器的输入电流仅为 µA 的一小部分，并且在这种情况下，输出端直流电压电平的偏置在 Ku = 50 时约为 1 mV，在 Ku = 500 时约为 10 mV。此电阻将导致偏置相应增加。测量宽带信号的实践表明，探头的输入电阻约为 100 kOhm 就足够了。通过相应改变 R1 可以将其增加到 3 MOhm，但这会导致上述后果。在高频下，输入电阻较小，并且本质上主要是电容性的，但这并不影响测量过程，因为在高频下高电阻电路很少见。

关于设计。大部分探头部件放置在由双面箔玻璃纤维制成的印刷电路板上，其草图如图 2 所示。 2. 在其一侧放置运算放大器和所有电阻器，在第二侧放置电容器 C5-C1。安装侧之间的连接是通过板上孔的导体进行的。开关安装在探头本体上，电容器C1直接安装在SAXNUMX上。

示波器运算放大器上的有源探头

探头主体（图3）由插入金属外壳1的塑料管18（由直径约2毫米的毡尖笔制成）组成。管内有一块板3，其上有一块板1。安装了开关 SA2 和 SA4（5 和 6）。连接线和电源线 - 1 - 从管子底部引出。板子的公共线连接到外壳，金属引脚 X7 - XNUMX 的线从管子的孔引出。所有内部连接必须使用最短长度的电线，外部连接 - 电源和信号电路 - 分别为屏蔽电缆和射频电缆。

示波器运算放大器上的有源探头

由于微电路中未使用两个运算放大器之一，因此其输入（引脚 5 和 6）连接到一根公共电线。

设置设备归结为设置所需的增益，当使用具有高输入阻抗的示波器操作探头时，通过选择电阻器 R10（SA10 闭合），在 1 MHz 频率下将增益设置为 1。如果探头与低阻抗输入的示波器一起使用，部分输出信号会在匹配电阻 R5 处受到抑制。因此，电路中引入电阻R6，通过选择其阻值（SA1断开），传输系数设置为1。当SA1闭合（高灵敏度模式）时，通过选择电阻R10，增益系数设置为1。

该装置使用KM系列电阻器MLT、C2-10、C2-33、P1-12、电容器C1-C3或其他小尺寸电容器（K10-17、K10-47）、C4、C5 - K52组或类似产品。可以使用同一家公司的宽带运放AD812AR或AD817AN、AD818AN，它们由于频段较小（50 MHz）而更便宜，但它们的使用也会导致工作频段减少。

为了给探头供电，需要一个输出电压为 %12...15 V 的双极稳定电源。应注意，无信号时的电流消耗为 10...15 mA；当工作在低阻抗负载，当施加信号时，电流可以增加到100 mA。

文学

Grishin A. 示波器的有源探头。 - 广播，1988 年，第 12 期，p。 45.
Ivanov B. 示波器 - 您的助手（有源探头）。 - 广播，1989 年，第 11 期，第 80 页XNUMX.
Turchinsky D. 示波器的有源探头。 - 广播，1998 年，第 6 期，第 38 页。

作者：I. Nechaev，库尔斯克

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