Sonda activa - discutie si solutii practice

[Vizitator]

Buna idee, am vazut unele sonde mult mai subtiri, total 8mm si nu prea m-am prins ce componente au folosit.

 

@gsabac

[gsabac]

Circuitul din poza pare a fi o piesa de schimb pentru un cap atenuator protejat sau de sampling
si aceasta tehnologie nu ne este accesibila decit cu "buzunarul" golit bine.

@VAX, eu urmaresc sa studiez o sonda de la CC la 1000 MHz iar dvs. altfel de sonda, cu impedanta cit mai mare,
de la KHz la 100 Mhz si eventuala comparatie nu isi are rostul.
Performantele schemei pe care o analizez, sunt apropiate de ale firmelor consacrate, ca nivele, dinamica
si impedante de intrare, R si X, este ceea ce mi-am propus, dar realizarea va da performante mai reduse

si va necesita citeva modele pentru corectii. Curba de frecventa din simulare este ideala si se vede atenuarea 10:1.

Intrebarile sunt pertinente. Am tinut cont de experienta mea si de invatataturile din prospectele
aparatelor si din demontarea lor, pentru studiu sau pentru reparatii.
Cind se lucreaza la frecvente mari si un picior de "musca" este o piedica in obtinerea performantelor,
de aceea rezistentele care aparent nu au nici un rol, fac un amplificator performant,
perfect linear cu frecventa si amplitudinea semnalului. Influenta lor se simte de pe la 200MHz in sus
si chiar pina la 2000MHz si sunt utile doar daca urmaresti o linearitate de +/-0,5dB si o buna stabilitate.
Schema are atenuarea de 10, deci divizorul R9, R11 este 10:1 si de aceeasi marime cu divizorul capacitiv al intrarii,
micsorat prin FET si repetorul cu 2 tranzistori in paralel.
Condensatorul C1 pus intre poarta si sursa contribuie la un raport de divizare la inalta frecventa corect
si micsoreaza rezonantele parazite ale intrarii, care sunt pe la 1,5-2,5GHz si astfel se mareste stabilitatea.
O mare problema tehnologica consta in disiparea caldurii si am vazut ca se folosesc materiale elastice
conductoare termic in contact cu carcasa externa metalica.

 

@gsabac

Editat Octombrie 1, 2017 de gsabac

[VAX]

Marea problema de la circuitele cu bootstrapare (reactie pzitiva) este data de posibilitatea sa autooscileze, mai ales cand se utilizeaza tranzistoare cu Ft mare.

Din acest motiv, va prezint schema unei sonde simple, fara bootstrapare, care functioneaza stabil (verificata in practica). Sonda permite cuplajul in c.c. si admite la intrare (+/-)10V. Are corectie de "ZERO" dintr-un potententiometru, dar deriva termica a tensiunii de la iesire este mare (mV/ grad Celsius). In majoritatea activitatilor de service, cand se masoara tensiuni relativ mari (peste 0,1V), aceasta deriva nu este suparatoare. Cele doua tranzistoare JFET (repetorul Q1 si sarcina activa Q3) sunt sortate (imperecheate) si cuplate termic. Deriva termica la iesirea din repetorul cu JFET (in baza lui Q2) este de zeci (cel mult sute) de uV/grad Celsius. Mai multa deriva termica introduc tranzistoarele Q2 si Q5, dar partial se compenseaza. Tranzistoarele bipolare lucreaza la curent mare (10-15mA) si tensiune colector-emitor in repaus de 15V, deci puterea disipata este mare si se incalzesc puternic. De aici rezulta deriva tensiunii de la iesire.

Tranzistoarele bipolare sunt cu Ft mai redus, pana in 1GHz, pentru ca trebuie sa aiba Uce0>25V. Ar merge acceptabil BF199 (BF173), BFW16(17), sortate pentru tensiune mai mare (exista exemplare cu Uce0>40V). Tranzistorul pnp poate fi BF479, dar tot sortat. Daca se folosesc BFR-uri, cu Uce0<18V, atunci se micsoreaza tensiunea colector-emitor introducand in colector, la fiecare, o dioda Zener (decuplata cu condensator de 0,47uF, ceramic multistrat), cu Uz=5-7V.

Cu BFR-uri tensiunea de la intrare nu poate sa depaseasca (+/-)5V.

Sonda are capacitatea la intrare de cel mult 2pF, in paralel cu rezistenta de 22 Mohm. In mod evident, la frecventa mare rezistenta poarta-sursa de micsoreaza, dar rezistenta aparenta de la intrare se mentine mare, din cauza ca potentialul sursei JFET-ului urmareste potentialul din poarta (montaj repetor de tensiune).

Raspunsul in frecventa, doar al repetorului de tensiune, este bun (sute de MHz), dar din cauza capacitatii de la intrarea sondei, cu surse de semnal cu rezistenta interna mare (100 Kohmi si mai mult), se observa scaderea semnalului la frecvente mai mari de cativa MHz. Cel mai bine este sa instalati Circuit Maker si sa simulati functionarea circuitului, pentru diverse balori ale Rg, tensiunii de la intrare, ale Rs.

In practica se masoara pe circuite oscilante, ca surse cu impedanta mare. Capacitatea de la intrarea sondei modifica putin frecventa de rezonanta, dar nu scade tensiunea. Extrem de rar se masoara tensiuni din zone cu comportare pur rezistiva, cu rezistenta mare.

 

 

Sonda_activa_simpla_cc.zip

 

@gsabac

Puteti sa prezentati o simulare a sondei dvs pentru Rg=100 kohmi, respectiv simularea in regim tranzitoriu la semnal mare (+/- 5V - minim), pe sarcina de 50 ohmi ? Sunt curios daca limiteaza alternanta negativa. La semnal mic (mV) si cu Rg = 50 ohmi totul este OK, dar in conditii reale lucrurile se schimba (mult, in rau). Ce rost mai are tranzistorul FET daca Rg=50 ohmi ? Cu surse de semnal cu impedanta atat de mica, merg bine repetoarele cu tranzistor bipolar.

Editat Octombrie 1, 2017 de VAX

[VAX]

Bootstraparea nu introduce neliniaritati, sa fie clar pentru toata lumea. Mentine potentialul constant intre electrozii elementului bootstrapat. Neliniaritatea care se observa pe caracteristica de frecventa a sondei bootstrapate, cu Rg mare, este de la capacitatea de la intrarea sondei. La frecventa scazuta bootstraparea este extrem de eficienta si in consecinta capacitatea de la intrarea sondei este neglijabil de mica. La frecventa mare scade eficacitatea bootstraparii si creste capacitatea de la intrarea sondei. De asta se reduce raspunsul in frecventa. In plus, din cauza defazajului introdus de amplificator, de dupa elementul bootstrapat, si de capacitatile din etajul bootstrapat, apare supracrestere pe caracteristica de frecventa, ca o rezonanta, urmata de scadere rapida.

Bootstraparea are singura hiba ca poate sa duca la intrarea in oscilatie a sondei.

Eu am lucrat cu circuite bootstrapate doar la frecventa joasa, sub 1 MHz, unde n-am observat aparitia oscilatiilor.

Am repetat aceste explicatii, pentru ca am vazut ca nu s-a inteles care este rostul bootstraparii si circuitele bootstrapate sunt acuzate ca ar introduce neliniaritati.

La una din variantele prezentate am prevazut bootstrapare la un etaj intermediar, ca sa protejez tranzistorul (un BFR cu trensiune de strapungere mica), sa nu apara varfuri de tensiune intre colector si emitor.

[Barbu Paul]

Interesanta schema domnului "gsabac" totusi are un mare neajuns, pentru semnalele dreptunghiulare de joasa frcventa (f<100Khz) la care palierele sunt foarte abrupte (de la nanosecunde la sute de nanoscunde) sonada nu se comporta corespunzator.

 

 

Cu stima

[gsabac]

@Barbu Paul, ce ar fi dupa dvs. corespunzator, dati un exemplu de parametri, ca sa integem problema.

Deasemenea poate ne spuneti cum ati tras asemenea concluzie, ati simulat si dvs. aveti o sonda cu structura identica

care are probleme la impulsuri de joasa frecventa?

 

@VAX, daca ultima sonda merge pe CC, ce rost are etajul de iesire cu PNP?

Sonda pe care o analizez are o compresie maxima de 5% cam la 14Vvv la intrare,

asta inseamna ca nu limiteaza de nici o culoare. Secretul este in tensiunea mica si curentul mare.

 

@gsabac

Editat Octombrie 1, 2017 de gsabac

[sesebe]

@gsabac nu mergea sa pui o sarcina activa pt tranzistorii de iesire? Ceva gen sursa de curent cu un Jfet de exemplu? 2-3 in paralel pt putere disipata marita?

[gsabac]

Cred ca la asa o schema v-ati gindit, ca la audio, generatorul de curent este benefic.

Asa cum ati presupus, nivelul precis de iesire a crescut de la +/-5V la +/-7V,

iar frecventele s-au pastrat destul de bine.

 

@gsabac

[sesebe]

Merci ca ai avut timp sa simulezi.

Deci am avut dreptate si s-a mai imbunatatit. Cam ce putere disipa tranzistorii la nivel maxim pe 50ohm?

Si o poza mai detaliata se poate? Poate o fac si eu pt mine acasa cindva (la servici am destule).

 

edit:

acum am vazut,

deci se pot masura nivele de +/- 70V la intrare fara compresie?

care ar fi nivelul maxim de intrare nedistructiv?

ceva ideie de cit ar fi de zgomotoasa iesirea ai? sau nivelul minim vizualizabil fara a fi inecat in zgomot.....

Editat Octombrie 1, 2017 de sesebe

[VAX]

@gsabac

Sonda dvs are atenuare mare la intrare si scoate la iesire semnal de nivel mic, de asta n-ati observat taierea varfurilor la alternantele negative.

 

In cazul sondei propuse de mine, etajul final cu doua repetoare de tensiune (pnp+npn) puse in paralel are rolul sa asigure impedanta mica la iesire si la semnal mare, la care un singur tranzistor ar fi limitat una din alternante (negativa la cel npn si pozitiva la pnp). Asta cand se lucreaza cu sarcini cu rezistenta mica (R=50 ohmi) la iesire. Curentul prin sarcina este mare la Uvv=10V sau mai mult, ceea ce ar impune un curent foarte mare prin tranzistorul de la iesire, la varianta cu un singur tranzistor. In ac cele doua tranzistoare lucreaza in paralel si asigura fronturi rapide atat la crestere cat si la descrestere. In cc puteam sa iau semnalul direct din emitorul tranzistorului npn (Q4), dar am preferat iesirea din emitorul tranzistorului pnp (Q5) pentru ca asigura termocompensare (partiala) cu Q2. Este o solutie de complromis. In ac lucreaza perfect, iar in cc la cat permite iesirea din Q5 (cu probleme la varfurile semnalului pozitiv). Cat timp cuplajul prin C6 merge bine, nu sunt probleme. Doar la frecventa foarte scazuta si in cc poate sa apara limitarea semnalului, daca curentul prin Q5 se anuleaza (la amplitudine mare a semnalului).

O varianta mai buna ar fi fost montajul supercatodina (White follower), sau mai bine un etaj final in clasa B (de fapt AB).

[gsabac]

Bineinteles, sonda studiata de mine este similara ca performante cu orice sonda HP, TK, LeCroy astea sunt nivelele.

@VAX, sonda propusa de dvs. la CC si joasa frecventa are un nivel maxim de iesire de 500mV, deci si intrarea va fi cam pe acolo.

 

@sesebe, cu cap divizor 10:1 se masoara +/-70V iar o schema similara TK este creditata cu testarea la +/- 200V

la intrare, fara atenuator. Probleme mari sunt cu condensatorii SMD care merg in general la 50V, 100V si rar la 200V.

Zgomotul este ca la celelalte sonde. Am sa postez si o schema mai clara, dar mai trebuie putin studiata.

 

@gsabac

Editat Octombrie 1, 2017 de gsabac

[franzm]

Cam ce putere disipa tranzistorii la nivel maxim pe 50ohm?

Cât un etaj clasa A.

Editat Octombrie 2, 2017 de franzm

[gsabac]

@gsabac

Sonda dvs are atenuare mare la intrare si scoate la iesire semnal de nivel mic, de asta n-ati observat taierea varfurilor la alternantele negative.

 

In cazul sondei propuse de mine, etajul final cu doua repetoare de tensiune (pnp+npn) puse in paralel are rolul sa asigure impedanta mica la iesire si la semnal mare, la care un singur tranzistor ar fi limitat una din alternante (negativa la cel npn si pozitiva la pnp). Asta cand se lucreaza cu sarcini cu rezistenta mica (R=50 ohmi) la iesire. Curentul prin sarcina este mare la Uvv=10V sau mai mult, ceea ce ar impune un curent foarte mare prin tranzistorul de la iesire, la varianta cu un singur tranzistor. In ac cele doua tranzistoare lucreaza in paralel si asigura fronturi rapide atat la crestere cat si la descrestere. In cc puteam sa iau semnalul direct din emitorul tranzistorului npn (Q4), dar am preferat iesirea din emitorul tranzistorului pnp (Q5) pentru ca asigura termocompensare (partiala) cu Q2. Este o solutie de complromis. In ac lucreaza perfect, iar in cc la cat permite iesirea din Q5 (cu probleme la varfurile semnalului pozitiv). Cat timp cuplajul prin C6 merge bine, nu sunt probleme. Doar la frecventa foarte scazuta si in cc poate sa apara limitarea semnalului, daca curentul prin Q5 se anuleaza (la amplitudine mare a semnalului).

O varianta mai buna ar fi fost montajul supercatodina (White follower), sau mai bine un etaj final in clasa B (de fapt AB).

La +/-10V la intrare, sa admitem ca ar trebui sa se obtina aproximativ +/-9V la iesire pe 50 ohmi.

Tranzistorul BF199 merge la max. 50mA si MPS4258 la 80mA. Cu o rezerva de 20% max 40mA deci Umax=50*0,04=2V la iesire la virf.

Mai este o problema cu disiparea de putere pe fiecare transistor, care ar depasi 0,8W la RF. NPN-ul poate fi BFW16A, BFW17A sau 2N3866,

dar un PNP echivalent nu exista.

Mai este o problema, in CC la -10V la intrare, curentul prin tranzistorul PNP ar trebui sa fie 9V/50=0,18A si puterea disipata continuu de:

P = (15V-9V) * 0,18A = 6 * 0,18 = 1,1W, deci un radiator "barosan".

Concluzia: nivelul de iesire la sonda 1:1 nu poate depasi fizic 2Vpp, dar pe simulator merge si 10Vpp,

deoarece nu stie limitarea fizica a curentului de colector, de care trebuie sa tina seama proiectantul.

Deasemenea frecventa maxima cu 100K la intrare este de circa 1,5MHz.

 

@gsabac

Editat Octombrie 2, 2017 de gsabac

[gauss]

http://download.njsemi.com/2N5160.pdf

 

Eu am folosit , si am o mica rezerva . Ma rog , pana pe la 400 MHz , cu destul succes . Acum , piata e plina de facaturi . Nu " merg " nici in loc de 2N2907 ...

Mai exista si un alt PNP , complementar cu seria " cu surub " , gen 2N3632 . Personal , l - am folosit la antene active , cu curent mare prin el . La vremea respectiva letconul si masuratorile erau de baza , nu iesise moda cu simulatoarele . In fine ... scuze de off - topic .

Editat Octombrie 2, 2017 de gauss

[gsabac]

Multumesc pentru complementar, chiar este util, dar eu nu l-am dibuit pina acum, desi 2N3866 l-am folosit pina la 144MHz.

Se poate folosi cu succes la o sonda de mare putere chiar de 0,8W la iesire si se mai gaseste cu circa 6$ bucata.

 

@gsabac