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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Sonda activa en un amplificador operacional para un osciloscopio. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Tecnología de medición Los amplificadores de banda ancha con alta impedancia de entrada, baja capacitancia de entrada y baja impedancia de salida se utilizan en una variedad de aplicaciones. Una aplicación es como sondas de entrada para osciloscopios y otros equipos de medición. Como se muestra en este artículo, los amplificadores operacionales de dispositivos analógicos modernos le permiten resolver este problema por medios simples. Un osciloscopio es uno de los instrumentos más versátiles que le permite medir una amplia variedad de parámetros de una señal eléctrica y, a menudo, simplifica significativamente el procedimiento de configuración de dispositivos electrónicos. En algunos casos es simplemente insustituible. Sin embargo, muchos están familiarizados con la situación en la que conectar un osciloscopio a un dispositivo que se está configurando provoca una violación de sus modos. La razón de esto es principalmente la capacitancia y resistencia de la entrada del osciloscopio y su cable de conexión introducido en el circuito en estudio. La mayoría de los osciloscopios utilizados por radioaficionados tienen una impedancia de entrada alta (1 MΩ) y una capacitancia de entrada de 5 ... 20 pF. En combinación con un cable de entrada blindado de aproximadamente un metro de largo, la capacitancia total aumenta a 100 pF o más. Para dispositivos que funcionan a frecuencias superiores a 100 kHz, esta capacitancia puede tener un impacto significativo en los resultados de las mediciones. Para eliminar este inconveniente, los radioaficionados utilizan un cable no blindado (si el nivel de la señal es lo suficientemente grande) o una sonda activa especial, que incluye un amplificador con una alta impedancia de entrada, generalmente fabricado con transistores de efecto de campo [1-3]. El uso de dicha sonda reduce significativamente la cantidad de capacitancia introducida en el dispositivo. Sin embargo, las desventajas de algunos de ellos son la baja ganancia o la presencia de un cambio de nivel en la salida, lo que dificulta la medición del voltaje CC. Además, tienen un rango de frecuencia de funcionamiento estrecho (hasta 5 MHz), lo que también limita su uso y requiere cables de conexión cortos. La sonda descrita en [2] tiene parámetros ligeramente mejores. Cabe señalar que todas estas sondas también pueden funcionar eficazmente con osciloscopios que tienen una alta impedancia de entrada. Actualmente, los osciloscopios de banda ancha con un rango de frecuencia operativa de hasta 100 MHz y superior, con una impedancia de entrada baja de 50 ohmios, se están volviendo cada vez más comunes, por lo que su conexión a un dispositivo personalizado a menudo se vuelve casi imposible. No todos están equipados con sondas activas y el uso de divisores resistivos provoca una notable disminución de la sensibilidad. La sonda activa, cuya descripción se pone en conocimiento de los lectores, está exenta de estos inconvenientes. Funciona con varios osciloscopios, cuya impedancia de entrada puede ser de baja impedancia (50 ohmios) o de alta impedancia (hasta 1 MOhm), tiene un rango de frecuencia de funcionamiento de 0...80 MHz y una impedancia de entrada bastante alta a bajas frecuencias. - 100 kOhmios. Su coeficiente de transmisión es 1 o 10, es decir No sólo no debilita, sino que también fortalece la señal. Las ventajas de la sonda incluyen sus pequeñas dimensiones. Estos parámetros se lograron mediante el uso de un moderno amplificador operacional de alta velocidad de Analog Devices. En particular, esta sonda utiliza el amplificador operacional AD812AN, que tiene las siguientes características principales: Frecuencia de funcionamiento superior: al menos 100 MHz; resistencia de entrada: 15 MΩ con una capacitancia de entrada de 1,7 pF; voltaje de entrada - hasta +13,5 V, y la tasa de aumento del voltaje de salida - 1600 V/μs; corriente de salida (con una resistencia de salida de 15 ohmios): hasta 50 mA; consumo de corriente en ausencia de una señal de entrada - 6 mA. Además, el amplificador operacional tiene bajos armónicos (-90 dB a 1 MHz y una carga de 1 kΩ) y bajo ruido (3,5 nV / ^ Hz), protección contra K3 (corriente limitada a 100 mA), disipación de potencia en un pequeño paquete bastante grande - 1 W. A esto hay que añadir que el precio de un microcircuito que contiene dos amplificadores operacionales con estos parámetros es relativamente bajo (3...4 dólares). El esquema de la sonda activa se muestra en la fig. 1. Básicamente, corresponde al circuito de conmutación de amplificador operacional estándar. El coeficiente de transferencia KU se cambia cambiando SA1 de los elementos del circuito de retroalimentación y tiene dos valores: 1 y 10. El interruptor SA2 selecciona el modo de funcionamiento: con una entrada "cerrada", cuando el condensador C1 está encendido en la entrada y el componente DC del voltaje no pasa a la entrada, o con la entrada "abierta" a medida que pasa.
La respuesta de frecuencia de la sonda cuando funciona con una carga con una resistencia de 50 ohmios para diferentes relaciones de transmisión es ligeramente diferente. Para Ku=1 tiene un ligero aumento (hasta 20...25%) en frecuencias de 20...45 MHz y disminuye a un nivel de 0,7 en frecuencias de 70...80 MHz y a un nivel de 0,3 a 100MHz. Para Ku=10, la respuesta de frecuencia es plana hasta 20 MHz y cae suavemente a 7 a una frecuencia de 40 MHz, y a una frecuencia de 100 MHz disminuye a 3. Cuando se conecta la sonda a un osciloscopio o frecuencímetro con una alta resistencia de entrada (generalmente Rin = 1 MOhm) a través de un cable de alta frecuencia de 1 m de largo, la amplitud del voltaje de salida máximo del amplificador operacional alcanza los 12 V (en Upit = +15 V) en frecuencias de hasta 10...15 MHz y disminuye suavemente a 3 V en frecuencias de 30...40 MHz. Cuando la sonda se carga en la entrada de baja resistencia (Rin = 50 ohmios) del osciloscopio, el voltaje de salida máximo es de 4 V en frecuencias de hasta 1 MHz y disminuye a 0,5 V en frecuencias de 30...40 MHz. Cabe señalar especialmente que la presencia de un modo de amplificación permite observar señales de entrada con una amplitud de 10...200 µV en la pantalla del osciloscopio con una sensibilidad de 300 mV por división. En la entrada del amplificador se instala una resistencia relativamente pequeña R3 (100 kOhm). Esto se hace porque la corriente de entrada del amplificador operacional es fracciones de µA y el desplazamiento del nivel de voltaje CC en la salida en este caso es de aproximadamente 50 mV en KU = 1 o 500 mV en Ku = 10. Un aumento en este La resistencia conducirá a un correspondiente aumento del sesgo. Como muestra la práctica de medir señales de banda ancha, una impedancia de entrada de la sonda del orden de 100 kOhm es suficiente. Es posible aumentarlo hasta 1 MΩ cambiando R3 en consecuencia, pero esto conducirá a las consecuencias anteriores. A altas frecuencias, la resistencia de entrada es menor y en su mayor parte capacitiva, pero esto no afecta el procedimiento de medición, ya que los circuitos de alta resistencia son raros a altas frecuencias. Sobre el diseño. La mayoría de las piezas de la sonda se colocan en una placa de circuito impreso hecha de fibra de vidrio de doble cara, cuyo esquema se muestra en la Fig. 2. En un lado se colocan el amplificador operacional y todas las resistencias, en el segundo lado, los condensadores C2-C5. Las conexiones entre los lados de montaje se realizan con conductores a través de orificios en la placa. Los interruptores están instalados en el cuerpo de la sonda y el condensador C1 está instalado directamente en SA1.
El cuerpo de la sonda (Fig.3) consta de un tubo de plástico 1 (de un rotulador con un diámetro de aproximadamente 18 mm), que se inserta en una carcasa de metal 2. Dentro del tubo hay una placa 3, en la que Los interruptores SA1 y SA2 (4 y 5) están montados. Por la parte inferior del tubo salen los cables de conexión y alimentación - 6. El cable común de la placa se conecta a la carcasa y por el orificio del mismo sale el cable para el pasador metálico X1 - 7. Todo interno las conexiones deben realizarse con un cable de longitud mínima, y las conexiones externas - circuitos de potencia y señal - respectivamente cable blindado y HF.
Dado que uno de los dos amplificadores operacionales no se utiliza en el microcircuito, sus entradas (pines 5 y 6) están conectadas a un cable común. La configuración del dispositivo se reduce a configurar la ganancia requerida, que, cuando la sonda funciona con un osciloscopio con una impedancia de entrada alta, se establece en 10 a una frecuencia de 10 MHz seleccionando la resistencia R1 (con SA1 cerrado). Si la sonda se utiliza con un osciloscopio con una entrada de baja impedancia, parte de la señal de salida se apaga mediante la resistencia terminal R5. Por lo tanto, se introduce la resistencia R6 en el circuito y, al seleccionar su resistencia (con SA1 abierto), el coeficiente de transmisión se establece en 1. Con SA1 cerrado (modo de alta sensibilidad), el factor de ganancia se establece en 10 seleccionando la resistencia R1. El dispositivo utiliza resistencias MLT, C2-10, C2-33, P1-12, condensadores C1-C3 de la serie KM u otros de pequeño tamaño (K10-17, K10-47), C4, C5 - grupos K52 o similares. . Puede utilizar los amplificadores operacionales de banda ancha AD812AR o AD817AN, AD818AN de la misma empresa, que son más baratos debido a una banda de frecuencia más pequeña (50 MHz), pero su uso también conducirá a una reducción en la banda de frecuencia operativa. Para alimentar la sonda se requiere una fuente de alimentación bipolar estabilizada con un voltaje de salida de % 12 ... 15 V. Cabe señalar que la corriente consumida en ausencia de señal es de 10 ... 15 mA, cuando se opera en Una carga de baja resistencia cuando se aplica una señal, la corriente puede aumentar hasta 100 mA. Literatura
Autor: I. Nechaev, Kursk
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