Студенты, любители и профессионалы сегодня имеют беспрецедентные возможности использования мощного и доступного тестового оборудования для изучения и создания электронных проектов. Но по мере того, как проекты энтузиастов становятся все более продвинутыми и амбициозными, можно достичь пределов возможностей оборудования начального уровня. Я с энтузиазмом отношусь к аппаратным средствам с общедоступной документацией как к средству повышения характеристик и доступности испытательного оборудования, точно так же, как раннее программное обеспечение с открытым исходным кодом фокусировалось на средствах разработки как основе для расширения доступа к вычислительной технике. В этой статье я расскажу о своем опыте создания несимметричного активного пробника с открытой документацией.
Для большинства из нас опыт работы с щупами осциллографов начинается и заканчивается пассивными щупами. На первый взгляд кажется, что это простые резистивные делители с некоторой емкостной компенсацией для расширения их диапазона, но за этим скрывается ряд сложных трюков. Во-первых, удивительно, что они вообще работают. Согласно теории линий передачи, подключение тестируемого устройства, которое может иметь любой выходной импеданс, к длинной линии передачи, оканчивающейся несогласованной нагрузкой (а именно, входным каскадом осциллографа), приводит к отражению сигнала. Однако в большинстве случаев эти щупы работают просто отлично, без звона и искажений. Хитрость, изобретенная компанией Tektronix в 1950-х годах [1], заключается в использовании линии передачи с потерями в кабеле щупа путем замены внутреннего проводника на проволоку с высоким сопротивлением. Это демпфирует отражения сигнала и вместе с тщательно подобранными компенсирующими конденсаторами обеспечивает плоскую широкополосную характеристику.
У этих методов есть свои ограничения. Например, полоса пропускания пассивных щупов 10:1 может достигать нескольких сотен мегагерц, а их входная емкость составляет 10-20 пФ. Даже на низких частотах эта емкость иногда оказывается достаточно большой, чтобы сделать пассивные щупы плохим выбором. В кварцевом генераторе используется емкость нагрузки, сопоставимая с этим значением, поэтому подключение пассивного щупа немедленно расстроит схему.
Активные щупы прекрасно подходят для высокочастотных цепей или цепей, требующих низкой нагрузки, поскольку их входная емкость на порядок меньше (Рисунок 1). Принцип работы активного щупа заключается в использовании буферного усилителя с высоким входным сопротивлением и воспроизведении сигнала при более низком выходном сопротивлении. Для улучшения целостности сигнала выходной импеданс усилителя можно регулировать в целях согласования линии передачи с входным импедансом осциллографа. Однако коммерческие активные щупы обычно стоят несколько тысяч долларов. В них используются фирменные разъемы, которые позволяют щупу автоматически настраивать осциллограф и использовать один кабель для питания и передачи сигнала, но это удобство привязывает вас к экосистеме производителя. Это обычно не беспокоит профессиональные лаборатории, которые могут позволить себе купить комплект приборов и аксессуаров, но это означает, что для работы энтузиастов часто будут сложны даже подержанные активные щупы.
 |
|
| Рисунок 1. | Современный коммерческий активный щуп с фирменным интерфейсным разъемом. |
Самодельные конструкции активных щупов с использованием дискретных компонентов делались и раньше, но по полосе пропускания они не могли сравниться с коммерческими устройствами и обычно не обладали гибкостью связи по постоянному току. Недавно представленная микросхема BUF802 позволила преодолеть эти ограничения и создавать аналоговые входные интерфейсы с очень высокими характеристиками, используя готовые компоненты и недорогие конструкции. BUF802 – это буферный усилитель с единичным усилением и полосой пропускания 3 ГГц. В настоящее время реализуется проект по созданию осциллографа с бесплатной документацией [2], использующий этот чип в интерфейсной части, и я тоже экспериментировал с попыткой создания несимметричного активного щупа (Рисунок 2) со следующими целями проектирования:
- Аналоговая полоса пропускания от постоянного тока до 2 ГГц, ослабление 10:1.
- Входной импеданс 1 МОм || 1 пФ, выходной импеданс 50 Ом.
- Номинальные характеристики, достижимые на четырехслойной печатной плате компании OSH Park [3] из ламината FR-408HR.
- Минимальные размеры компонентов 0402 и отсутствие микросхем в корпусах BGA.
- Общедоступная документация и ремонтопригодность.
 |
|
| Рисунок 2. | Сборка прототипа активного щупа на четырехслойной печатной плате, изготовленной OSH Park. |
История разработки
Микросхема BUF802 впервые привлекла мое внимание в конце 2022 года, и я начал изучать, как использовать ее в качестве усилителя активного щупа. Я разработал оценочную плату в произвольном форм-факторе, где вход и выход были выведены на коаксиальные разъемы для стендовых испытаний.
В конце 2023 года я разработал и протестировал щуп первоначальной версии A и обнаружил, что расположение гнезда заземления было неоптимальным, и вскоре за ним последовал щуп версии B, в котором было добавлено второе гнездо заземления без каких-либо других изменений (Рисунок 3). В ходе испытаний конструкция версии B смогла достичь целевой полосы пропускания 2 ГГц. С тех пор я также обзавелся векторным анализатором цепей Bode 100, который использовал для исследования цепи распределения питания и характеристик в перекрестной области. Эти измерения и дальнейшие эксперименты показали, что подстроечный конденсатор на печатной плате, используемый для частотной коррекции, имеет слишком большие потери. В версии C были незначительно оптимизированы компоненты цепей доставки питания и изменена схема входной цепи для использования конденсаторов постоянной емкости в цепи частотной коррекции, при этом ослабление на низких частотах стало подстраиваемым. Файлы проекта и документация доступны для скачивания в разделе Загрузки.
 |
|
| Рисунок 3. | Более поздняя оценочная плата с версиями B и C устройства в форм-факторе щупа. |
Краткое описание работы и методология
Графики на Рисунках 4 и 5 представляют характеристики, относящиеся к версии C щупа, измеренные с помощью анализатора цепей. Щуп демонстрирует очень плоский отклик с полосой пропускания по уровню 3 дБ чуть шире 2 ГГц. Входной импеданс составляет около 1.1 пФ с минимальным сопротивлением порядка 100 Ом в районе 1.6 ГГц. Это немного выше моей первоначальной цели в 1 пФ, но вряд ли меня это разочарует.
 |
|
| Рисунок 4. | Амплитудно-частотная характеристика щупа. |
 |
|
| Рисунок 5. | Частотная характеристика импеданса Z. |
Альтернативный взгляд на входной импеданс – оценка возвратных потерь при использовании щупа в 50-омной среде. Здесь возвратные потери в согласованной 50-омной линии показаны в виде частотной зависимости (Рисунок 6) и диаграммы Смита (Рисунок 7) с подключенным щупом и без него. Возвратные потери в линии со щупом остаются лучше 13 дБ.
 |
|
| Рисунок 6. | Входной импеданс щупа (S11). |
 |
|
| Рисунок 7. | Входной импеданс щупа (S11) на диаграмме Смита. |
В отрасли существует своего рода раскол по вопросу о том, как правильно определять характеристики высокочастотных щупов. Это можно назвать спором между «что было» и «что есть» [4]: должен ли щуп стремиться к точной реконструкции сигнала, который присутствовал до подключения щупа (что было), или же он должен стремиться показать сигнал в том виде, который он приобретает после нагрузки импедансом щупа (что есть)? В идеальном мире щуп имел бы бесконечный импеданс, и эти две позиции совпадали бы. Когда импеданс щупа конечен, напряжение VIN на его входе больше не равно напряжению VSOURCE на выходе источника тестового сигнала. Обе интерпретации отклика щупа – VOUT/VSOURCE или VOUT/VIN – верны, но имеют разные значения. В лагере сторонников того, «что было», находятся Tektronix и Rohde & Schwartz, в то время как Keysight отстаивает позицию «что есть». Keysight утверждает, что представление исходного сигнала маскирует проблемы влияния нагрузки [2]. Tektronix считает, что отображение исходного сигнала более полезно, а включение эффекта нагрузки щупа завышает его полосу пропускания [5]. Обе компании утверждают, что они правы, и их подходы лучше соответствуют исследованиям реального мира. Со своей стороны, я склонен согласиться с Tektronix: я хочу иметь характеристику проверяемого устройства, а не комбинации устройства и щупа.
Эту путаницу усугубляет тот факт, что щупы используются в сильно различающихся условиях. Характер соединений от разъема щупа до тестируемого устройства существенно влияет на паразитные явления и характеристики. Обычно щуп держат в руках, что затрудняет получение воспроизводимых результатов разными людьми и в разное время. Чтобы получить хоть какую-то надежду на повторяемость условий измерений, поставщики проверяют характеристики щупа с помощью приспособления, которое сводит к минимуму отклонения и паразитные эффекты, как это сделал и я. В одном из своих руководств по применению Keysight открыто признает, что «указанная полоса пропускания щупа [как правило] недостижима в любой повседневной, пригодной для использования конфигурации» [6]. Поэтому графики частотных характеристик для любого щупа следует рассматривать как наилучший сценарий.
Испытательное приспособление на Рисунке 8 представляет собой просто печатную плату с открытой сквозной 50-омной линией и концевыми разъемами. Измерение отклика щупа выполняется с помощью двухпортового анализатора цепей. Сначала выполняется калибровка отклика с подключением портов анализатора через сквозную плату, а затем подключение порта 2 устройства заменяется на 50-омную заглушку. Выход щупа подключается к порту 2, в результате чего передаточная функция VOUT/VSOURCE становится равной S21. Линию следует проверять как можно ближе к точке подключения заглушки. Чтобы уменьшить пульсации, возникающие из-за незначительных рассогласований в измерительном тракте, и получить более четкую диаграмму, на концах кабелей используются промежуточные аттенюаторы.
 |
|
| Рисунок 8. | Двухпортовая калибровочная и измерительная установка для определения характеристик отклика щупа. |
Для измерения входного импеданса сначала выполняется калибровка однопортовой измерительной установки, а затем к ней подключается тестовая сквозная плата с заглушкой (Рисунок 9). Плоскость калибровки находится в месте соединения с испытательным приспособлением, и щуп должен прикладываться как можно ближе к этой точке. Чтобы немного повысить точность расчетов, я с помощью векторного анализатора цепей измерил электрическую длину от калибровочной плоскости до интерфейса платы/разъема, а затем добавил ее в качестве расширения порта. В результате плоскость калибровки практически точно совпадает с точкой контакта со щупом. Возвратные потери измеряются с подключенным щупом и без него, а затем входной импеданс щупа можно исключить из этих измерений, считая, что импеданс щупа включен параллельно импедансу согласованной сквозной платы.
 |
|
| Рисунок 9. | Однопортовая калибровочная и измерительная установка для определения характеристик входного импеданса. |
Определение характеристик щупа в перекрестной области началось с загадки и выявило некоторые разочаровывающие ограничения на конструкцию платы. В диапазоне частот от 10 кГц до 10 МГц происходит переход выходного сигнала щупа от управления обратной связью прецизионного усилителя к последующему входному резистивному делителю, а затем к емкостному делителю. В идеале отклик должен быть плоским. При плохой частотной коррекции входной цепи можно было бы ожидать появления плоских областей на нижнем и верхнем краях диапазона и пологого перехода между ними. Вместо этого я увидел всплески амплитудных характеристик (Рисунки 10 и 11).
 |
|
| Рисунок 10. | Отклик щупа VOUT/VSOURCE в перекрестной области. |
 |
|
| Рисунок 11. | Отклик оценочной платы VOUT/VSOURCE в перекрестной области. |
Такое поведение вызывало недоумение, поскольку оно не проявлялось при моделировании, а также было менее заметно при работе с оценочной платой, когда при правильной компенсации выбросы в этом диапазоне составляли всего 0.1–0.2 дБ. Моей первой гипотезой было сочетание неправильно настроенной частотной компенсации и потерь в линии передачи. Оценочная плата предоставила возможность проверить гипотезу: для упрощения настройки конденсатор частотной компенсации был выбран подстроечным, и я мог вставить отрезок некачественного кабеля и посмотреть, соответствует ли результат графику. Когда я отрегулировал частотную компенсацию и добавил секцию RG178 (тонкий тип коаксиального кабеля, подходящий только для коротких расстояний), отклик продемонстрировал похожую форму пиков. Учитывая низкую частоту, вероятным источником потерь в кабеле являются потери в проводнике, а не в диэлектрике.
Ссылки
- J. R. Kobbe and W. J. Polits. “Electrical probe,” U.S. Patent 2883619.
- ThunderScope
- 4 Layer Prototype Service
- Agilent Technologies. Side-by-Side Comparison of Agilent and Tektronix Probing Measurements on High-Speed Signals, Application Note 1491, January 2007.
- Tektronix. Probe Bandwidth Calculations, Technical Brief 60W-18324-0, November 2004.
- Keysight Technologies. Improving Usability and Performance in High-Bandwidth Active Oscilloscope Probes, Application Note 5988-8005, July 2014.
- Texas Instruments, Achieving high-DC Precision and Wide Large Signal Bandwidth with Hi-Z Buffers, Technical Article SSZT102, Jan. 2022.
Материалы по теме
- Datasheet Analog Devices ADA4625
- Datasheet Texas Instruments BUF802
- Datasheet Linear Technology LTC3261
- Datasheet Texas Instruments OPA140
- Datasheet Texas Instruments TPS7A39
- Datasheet Diodes BAT54
- Datasheet Vishay VLMTG1300
Купить BUF802 на РадиоЛоцман.Цены
