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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Ponta de prova ativa no amplificador operacional do osciloscópio. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Tecnologia de medição Amplificadores de banda larga com alta impedância de entrada, baixa capacitância de entrada e baixa impedância de saída são usados em diversas aplicações. Uma aplicação é como pontas de prova de entrada para osciloscópios e outros equipamentos de medição. Conforme mostrado neste artigo, os amplificadores operacionais de dispositivos analógicos modernos permitem que você resolva esse problema por meios simples. Um osciloscópio é um dos instrumentos mais versáteis que permite medir uma ampla variedade de parâmetros de um sinal elétrico e, muitas vezes, simplifica significativamente o procedimento de configuração de dispositivos eletrônicos. Em alguns casos, é simplesmente insubstituível. No entanto, muitos estão familiarizados com a situação em que conectar um osciloscópio a um dispositivo configurado leva à violação de seus modos. A razão para isso é principalmente a capacitância e a resistência da entrada do osciloscópio e de seu cabo de conexão introduzido no circuito em estudo. A maioria dos osciloscópios usados por rádios amadores possui alta impedância de entrada (1 MOhm) e capacitância de entrada de 5...20 pF. Em combinação com um cabo de entrada blindado de conexão com cerca de um metro de comprimento, a capacitância total aumenta para 100 pF ou mais. Para dispositivos que operam em frequências acima de 100 kHz, esta capacitância pode ter um impacto significativo nos resultados da medição. Para eliminar esta desvantagem, os radioamadores usam um fio não blindado (se o nível do sinal for grande o suficiente) ou uma ponta de prova ativa especial, que inclui um amplificador com alta impedância de entrada, geralmente feito com transistores de efeito de campo [1-3]. O uso de tal sonda reduz significativamente a quantidade de capacitância introduzida no dispositivo. Porém, as desvantagens de alguns deles são o baixo ganho ou a presença de mudança de nível na saída, dificultando a medição da tensão CC. Além disso, possuem uma faixa de frequência operacional estreita (até 5 MHz), o que também limita seu uso e requer cabos de conexão curtos. A sonda descrita em [2] possui parâmetros ligeiramente melhores. Deve-se observar que todas essas pontas de prova também podem funcionar efetivamente com osciloscópios que possuem alta impedância de entrada. Atualmente, osciloscópios de banda larga com faixa de frequência operacional de até 100 MHz e superior, com baixa impedância de entrada de 50 Ohms, estão se tornando cada vez mais difundidos, portanto, conectá-los a um dispositivo personalizado muitas vezes se torna quase impossível. Nem todos eles estão equipados com pontas de prova ativas, e o uso de divisores resistivos leva a uma diminuição notável na sensibilidade. A sonda ativa, cuja descrição é levada ao conhecimento dos leitores, está isenta dessas desvantagens. Funciona com vários osciloscópios, cuja impedância de entrada pode ser de baixa impedância - 50 Ohms ou alta impedância - até 1 MOhm, possui uma faixa de frequência operacional de 0...80 MHz e uma impedância de entrada bastante alta em baixas frequências - 100 kOhm. Seu coeficiente de transmissão é 1 ou 10, ou seja, Não só não enfraquece, mas também fortalece o sinal. As vantagens da sonda incluem suas pequenas dimensões. Tais parâmetros foram alcançados através do uso de um moderno amplificador operacional de alta velocidade da Analog Devices. Em particular, esta sonda usa o amplificador operacional AD812AN, que possui as seguintes características principais: Frequência operacional superior - pelo menos 100 MHz; resistência de entrada - 15 MOhm com capacitância de entrada de 1,7 pF; tensão de entrada - até +13,5 V, e taxa de aumento da tensão de saída - 1600 V/μs; corrente de saída (com resistência de saída de 15 Ohms) - até 50 mA; o consumo de corrente na ausência de um sinal de entrada é de 6 mA. Além disso, o amplificador operacional possui baixo nível de harmônicos (-90 dB na frequência de 1 MHz e carga de 1 kOhm) e baixo nível de ruído (3,5 nV/^Hz), proteção de K3 (corrente limitada a 100 mA), a potência dissipada por um gabinete pequeno é bastante grande - 1 W. Deve-se acrescentar a isso que o preço de um microcircuito contendo dois amplificadores operacionais com tais parâmetros é relativamente baixo (US$ 3...4). O diagrama da sonda ativa é mostrado na Fig. 1. Basicamente, corresponde ao circuito de conexão do amplificador operacional padrão. O coeficiente de transferência KU é alterado pela comutação dos elementos SA1 do circuito de feedback e possui dois valores: 1 e 10. A chave SA2 seleciona o modo de operação: com entrada “fechada”, quando o capacitor C1 está ligado na entrada e a tensão constante componente não passa para a entrada, ou com entrada “aberta” conforme ela passa.
A resposta de frequência da sonda ao operar em uma carga com resistência de 50 Ohms para diferentes relações de transmissão é ligeiramente diferente. Para Ku=1 tem um ligeiro aumento (até 20...25%) nas frequências de 20...45 MHz e diminui para um nível de 0,7 nas frequências de 70...80 MHz e para um nível de 0,3 em 100MHz. Para Ku=10, a resposta de frequência é plana até 20 MHz e cai suavemente para 7 na frequência de 40 MHz, e na frequência de 100 MHz diminui para 3. Ao conectar a ponta de prova a um osciloscópio ou frequencímetro com alta resistência de entrada (geralmente Rin = 1 MOhm) através de um cabo de alta frequência de 1 m de comprimento, a amplitude da tensão máxima de saída do amplificador operacional atinge 12 V (em Upit = +15 V) em frequências de até 10...15 MHz e diminui suavemente para 3 V em frequências de 30...40 MHz. Quando a ponta de prova é carregada na entrada de baixa resistência (Rin = 50 Ohm) do osciloscópio, a tensão máxima de saída é 4 V em frequências de até 1 MHz e diminui para 0,5 V em frequências de 30...40 MHz. Deve-se notar especialmente que a presença de um modo de amplificação permite observar sinais de entrada com amplitude de 10...200 µV na tela do osciloscópio com sensibilidade de 300 mV por divisão! Uma resistência relativamente pequena R3 (100 kOhm) é instalada na entrada do amplificador. Isso foi feito porque a corrente de entrada do amplificador operacional é uma fração de µA e a polarização no nível de tensão CC na saída é, neste caso, de aproximadamente 50 mV em Ku = 1 ou 500 mV em Ku = 10. Um aumento nesta resistência levará a um aumento correspondente na tendência. Como mostra a prática de medição de sinais de banda larga, uma resistência de entrada da ponta de prova de cerca de 100 kOhm é suficiente. É possível aumentá-lo para 1 MOhm alterando R3 adequadamente, mas isso levará às consequências indicadas acima. Em altas frequências, a resistência de entrada é menor e é principalmente de natureza capacitiva, mas isso não afeta o procedimento de medição, uma vez que circuitos de alta resistência são raros em altas frequências. Sobre o design. A maioria das peças da sonda é colocada em uma placa de circuito impresso feita de fibra de vidro de dupla face, cujo esboço é mostrado na Fig. 2. De um lado são colocados o amplificador operacional e todos os resistores, no segundo lado - os capacitores C2-C5. As conexões entre os lados de montagem são feitas com condutores através de furos na placa. As chaves são instaladas no corpo da sonda e o capacitor C1 é instalado diretamente no SA1.
O corpo da sonda (Fig. 3) consiste em um tubo plástico 1 (de uma caneta hidrográfica com diâmetro de cerca de 18 mm), que é inserido em um invólucro metálico 2. Dentro do tubo há uma placa 3, na qual os interruptores SA1 e SA2 (4 e 5) estão montados. Os fios de conexão e alimentação - 6 - são retirados pela parte inferior do tubo. O fio comum da placa é conectado à caixa e um fio para o pino metálico X1 - 7 é retirado pelo orifício nele. Todos internos as conexões devem ser feitas com fio de comprimento mínimo, e as conexões externas - circuitos de potência e sinal - respectivamente cabo blindado e RF.
Como um dos dois amplificadores operacionais não é usado no microcircuito, suas entradas (pinos 5 e 6) são conectadas a um fio comum. A configuração do dispositivo se resume a definir o ganho necessário, que, ao operar a ponta de prova com um osciloscópio de alta impedância de entrada, é ajustado para 10 na frequência de 10 MHz selecionando o resistor R1 (com SA1 fechado). Se a ponta de prova for usada com um osciloscópio com entrada de baixa impedância, parte do sinal de saída será suprimida no resistor correspondente R5. Portanto, o resistor R6 é introduzido no circuito, e ao selecionar sua resistência (com SA1 aberto), o coeficiente de transmissão é ajustado para 1. Com SA1 fechado (modo de alta sensibilidade), o fator de ganho é ajustado para 10 selecionando o resistor R1. O dispositivo utiliza resistores MLT, C2-10, C2-33, P1-12, capacitores C1-C3 da série KM ou outros de pequeno porte (K10-17, K10-47), C4, C5 - grupos K52 ou similares . Você pode usar amplificadores operacionais de banda larga AD812AR ou AD817AN, AD818AN da mesma empresa, que são mais baratos devido a uma banda de frequência menor (50 MHz), mas seu uso também levará a uma redução na banda de frequência operacional. Para alimentar a sonda é necessária uma fonte de alimentação bipolar estabilizada com uma tensão de saída de %12...15 V. Deve-se observar que o consumo de corrente na ausência de sinal é de 10...15 mA; quando operando em uma carga de baixa impedância, quando um sinal é aplicado, a corrente pode aumentar para 100 mA. Literatura
Autor: I. Nechaev, Kursk
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