Wysokoomowa i o małej pojemności sonda o dużym paśmie

Nanoeletronika
Temat projektu:
Wysokoomowa i o małej pojemności
sonda o dużym paśmie przenoszenia
(DC-200MHz lub 1MHz-200MHz).
ang. Active probe
Wydział EAIiE
Katedra Elektroniki
17 czerwiec 2009r.
Grupa:
Dębski Janusz
Banaszek Juliusz
Wstęp
Dwa rodzaje sond pomiarowych:
- Sondy pasywne
- Sondy aktywne
Sondy pasywne nie zawierają elementów aktywnych takich jak np.
tranzystory, więc nie wymagają żadnego zewnętrznego napięcia
zasilania. Sondy pasywne mają na wejściu umieszczony rezystor
zwykle 9MΩ połączony równolegle z regulowanym kondensatorem
umieszczonym na baypassach w celu wyeliminowania pasożytniczych
pojemności kabla. Rezystor wartości 9MΩ używamy ze względu na to,
że większość oscyloskopów ma rezystancje wejściową równą 1MΩ, co
daje możliwość prostego uzyskania sondy o podziale 1:10. W sondach
pasywnych używany jest kabel współosiowy BNC. Sondy pasywne
pracują w zakresie częstotliwości od 0 do około 100MHz.
Sonda pasywna
Schemat typowej sonda pasywnej.
Sonda aktywna
Współcześnie produkuje się sondy
aktywne, które pozwalają na pełne
wykorzystanie pasma oscyloskopu. W
przeciwieństwie do sond pasywnych
wymagają one zewnętrznego napięcia
zasilania, gdyż zawierają w swoim
układzie elementy czynne (lampy,
tranzystory, układy scalone).
Schemat typowej sondy aktywnej.
Dzięki zastosowaniu specjalnych typów tranzystorów polowych uzyskuje się małą
pojemność wejściową układu. Dla wyeliminowania wpływu kabli, element czynny,
tranzystor umieszcza się w końcówce sondy. Dzięki temu zminimalizowany jest
wpływ jakichkolwiek pojemności montażowych. Obecnie produkuje się sondy o
oporności wejściowej 1MΩ pojemności 1pF pracujące w paśmie do 1GHz.
Funkcje i własności układu
- duża rezystancja wejściowa i mała pojemność
wejściowa (2pF)- dzięki czemu duże pasmo
przenoszenia;
- pozwala w pełni wykorzystać dostępne pasmo
oscyloskopów na 200MHz;
- liniowa faza i stałe wzmocnienie 1x w wymaganym
paśmie
- rezystor terminujący na wyjściu 15Ω z zapasem 10%
Wybór odpowiedniego wzmacniacza –
dlaczego MAX4200 ?
Cechy charakterystyczne:
- prąd zasilania 2,2mA;
- 4200V/μs Slew Rate;
- -3dB pasmo do 660MHz;
- 0,1dB pasmo do 220MHz;
- wzmocnienie układu 1x;
- Full-Power Bandwidth dla
VOUT ≤ 2VP-P około 490MHz;
Symulacje układu w programie LTspice
- analiza AC
Charakterystyka fazowa i wzmocnienia
dla napięcia wejściowego o amplitudzie1V.
Symulacje układu w programie LTspice –
analiza transient
Wykres napięcia wejściowego i wyjściowego. Na wejście podany sygnał
o amplitudzie 5V i częstotliwości 200MHz.
Kiedy układ się wzbudza ?
Wpływ doboru rezystora terminującego.
Przykładowa symulacja dla Rt=1Ω. Układ się wzbudza.
Wpływ doboru rezystora terminującego.
Przykładowa symulacja dla Rt=10Ω. Układ się wzbudza.
Wpływ doboru rezystora terminującego.
Przykładowa symulacja dla Rt=100Ω. Układ się wzbudza.
Schemat układu w programie Eagle
Schemat płytki do montażu
Widok Bottom
Widok Top
Schemat płytki do montażu – ciąg
dalszy
Płytka dwustronna
Wyniki testowania układu
Wzmocnienie [dB]
Charakterystyka zależności wzmocnienia od częstotliwości.
3
2
1
0
-1 0
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
-11
-12
100
200
300
400
500
600
Częstotliwość [MHz]
Wzmocnienie [dB]
700
800
900
1000
Wyniki testowania układu – ciąg dalszy
Wzmocnienie [dBm]
Charakterystyka zależności wzmocnienia od częstotliwości dla
R=1k szeregowo na wejściu.
0
-5 0
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-55
-60
-65
-70
100
200
300
400
500
600
Częstotliwość [MHz]
Wzmocnienie [dBm]
700
800
900
1000
Wyniki testowania układu – ciąg dalszy
Wykres zależności wzmocnienia od częstotliwości dla sondy
do 200MHz z dołożonym tlumnikiem 50ohm
0
Wzmocnienie [dBm]
-5 0
100
200
300
400
500
600
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
Częstotliwość [MHz]
Wzm ocnienie [dBm]
700
800
900
1000
Sonda do 20MHz na wzmacniaczu
operacyjnym MAX4104
Wzmacniacz operacyjny MAX4104:
prąd zasilania 20mA;
-
-3dB Bandwidth do 625MHz;
-
0,1dB Bandwidth do 100MHz;
-
wzmocnienie 10x;
Symulacje układu w programie LTspice
- analiza AC
Charakterystyka fazowa i wzmocnienia dla napięcia wejściowego 1V.
Symulacje układu w programie LTspice –
analiza transient
Wykres napięcia wejściowego i wyjściowego.
Na wejście podany sygnał o amplitudzie 1V i częstotliwości 20MHz.
Schemat układu
Schemat płytki – etap testowania
Wyniki testowania układu
Wzmocnienie [dB]
Charakterystyka zależności wzmocnienia od częstotliwości dla
sondy do 20MHz
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2 0
-4
25
50
75
100
125
150
częstotliwość [MHz]
Wzmocnienie [dB]
175
200
225
250