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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Sonde active sur l'ampli-op pour l'oscilloscope. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Technique de mesure Les amplificateurs à large bande avec une impédance d'entrée élevée, une faible capacité d'entrée et une faible impédance de sortie sont utilisés dans une variété d'applications. L'une des applications concerne les sondes d'entrée pour les oscilloscopes et autres équipements de mesure. Comme le montre cet article, les amplificateurs opérationnels modernes d'Analog Device permettent de résoudre ce problème avec des moyens simples. Un oscilloscope est l'un des instruments les plus polyvalents qui vous permet de mesurer une grande variété de paramètres de signaux électriques et simplifie souvent considérablement la procédure de configuration des appareils électroniques. Dans certains cas, il est tout simplement irremplaçable. Cependant, beaucoup connaissent la situation où la connexion d'un oscilloscope à un appareil personnalisé entraîne une violation de ses modes. Ceci est principalement dû à la capacité et à la résistance de l'entrée de l'oscilloscope et de son câble de liaison introduit dans le circuit étudié. La plupart des oscilloscopes utilisés par les radioamateurs ont une impédance d'entrée élevée (1 MΩ) et une capacité d'entrée de 5 ... 20 pF. En combinaison avec un câble d'entrée blindé de connexion d'environ un mètre de long, la capacité totale augmente à 100 pF ou plus. Pour les appareils fonctionnant à des fréquences supérieures à 100 kHz, cette capacité peut avoir un impact significatif sur les résultats de mesure. Pour éliminer cet inconvénient, les radioamateurs utilisent un fil non blindé (si le niveau du signal est suffisamment élevé) ou une sonde active spéciale, qui comprend un amplificateur à haute impédance d'entrée, généralement réalisé sur des transistors à effet de champ [1-3]. L'utilisation d'une telle sonde réduit considérablement la quantité de capacité introduite dans le dispositif. Cependant, les inconvénients de certains d'entre eux sont le faible gain ou la présence d'un décalage de niveau en sortie, ce qui rend difficile la mesure de la tension continue. De plus, ils ont une plage de fréquences de fonctionnement étroite (jusqu'à 5 MHz), ce qui limite également leur utilisation et nécessite des câbles de raccordement courts. La sonde décrite dans [2] a des paramètres un peu meilleurs. Il convient de noter que toutes ces sondes peuvent fonctionner efficacement avec des oscilloscopes qui ont une impédance d'entrée élevée. Actuellement, les oscilloscopes à large bande avec une plage de fréquences de fonctionnement allant jusqu'à 100 MHz et plus, avec une faible impédance d'entrée de 50 ohms, sont de plus en plus courants, de sorte que leur connexion à un appareil personnalisé devient souvent presque impossible. Tous ne sont pas équipés de sondes actives et l'utilisation de diviseurs résistifs entraîne une diminution notable de la sensibilité. La sonde active, dont la description est offerte à l'attention des lecteurs, est exempte de ces défauts. Il fonctionne avec divers oscilloscopes, dont l'impédance d'entrée peut être à faible résistance - 50 Ohm ou à haute résistance - jusqu'à 1 MΩ, a une plage de fréquences de fonctionnement de 0 ... 80 MHz et une impédance d'entrée assez élevée aux basses fréquences - 100 kOhm. Son facteur de transmission est de 1 ou 10, c'est-à-dire non seulement il n'affaiblit pas, mais renforce également le signal. Les avantages de la sonde incluent ses petites dimensions. Ces paramètres ont été obtenus grâce à l'utilisation d'un amplificateur opérationnel moderne à grande vitesse d'Analog Devices. En particulier, cette sonde utilise l'ampli-op AD812AN, qui présente les principales caractéristiques suivantes : Fréquence de fonctionnement supérieure - pas moins de 100 MHz ; résistance d'entrée - 15 MΩ avec une capacité d'entrée de 1,7 pF; tension d'entrée - jusqu'à +13,5 V et vitesse de balayage de la tension de sortie - 1600 V / μs; courant de sortie (avec une résistance de sortie de 15 ohms) - jusqu'à 50 mA; consommation de courant en l'absence de signal d'entrée - 6 mA. De plus, l'ampli op a de faibles harmoniques (-90 dB à 1 MHz et une charge de 1 kΩ) et un faible bruit (3,5 nV / ^ Hz), une protection contre K3 (courant limité à 100 mA), une dissipation de puissance dans un petit paquet assez grand - 1 W. Il faut ajouter à cela que le prix d'un microcircuit contenant deux amplificateurs opérationnels avec de tels paramètres est relativement bas (3...4 $). Le schéma de la sonde active est illustré à la fig. 1. Fondamentalement, cela correspond au circuit de commutation d'amplificateur opérationnel standard. Le coefficient de transfert KU est modifié par la commutation SA1 des éléments du circuit de rétroaction et a deux valeurs : 1 et 10. Le commutateur SA2 sélectionne le mode de fonctionnement : avec une entrée "fermée", lorsque le condensateur C1 est allumé à l'entrée et la composante continue de la tension ne passe pas à l'entrée, ou avec entrée "ouverte" lorsqu'elle passe.
La réponse en fréquence de la sonde lorsqu'elle fonctionne sur une charge avec une résistance de 50 ohms pour différents coefficients de transmission est quelque peu différente. Pour Ku=1, elle augmente légèrement (jusqu'à 20...25 %) aux fréquences de 20...45 MHz et diminue jusqu'à un niveau de 0,7 aux fréquences de 70...80 MHz et jusqu'à un niveau de 0,3 à 100 MHz. Pour Ku = 10, la réponse en fréquence est plate jusqu'à 20 MHz et chute doucement à 7 à une fréquence de 40 MHz, et diminue à 100 à une fréquence de 3 MHz. Lorsque la sonde est connectée à un oscilloscope ou à un fréquencemètre avec une grande impédance d'entrée (généralement Rin = 1 MΩ) via un câble haute fréquence de 1 m de long, l'amplitude de la tension de sortie maximale de l'ampli-op atteint 12 V ( avec Upit = +15 V) à des fréquences allant jusqu'à 10 ... 15 MHz et diminue progressivement jusqu'à 3 V à des fréquences de 30 ... 40 MHz. Lorsque la sonde est chargée sur l'entrée à faible résistance (Rin = 50 Ohm) de l'oscilloscope, la tension de sortie maximale est de 4 V à des fréquences allant jusqu'à 1 MHz et diminue à 0,5 V à des fréquences de 30 ... 40 MHz. Il faut surtout noter que la présence du mode amplification permet d'observer des signaux d'entrée d'une amplitude de 10...200 μV sur l'écran de l'oscilloscope avec une sensibilité de 300 mV par division ! Une résistance relativement petite R3 (100 kOhm) est installée à l'entrée de l'amplificateur. Ceci est fait parce que le courant d'entrée de l'ampli-op est des fractions de µA et le décalage du niveau de tension continue à la sortie dans ce cas est d'environ 50 mV à KU = 1 ou 500 mV à Ku = 10. Une augmentation de ce résistance conduira à une augmentation correspondante du biais. Comme le montre la pratique de la mesure de signaux large bande, une impédance d'entrée de la sonde de l'ordre de 100 kOhm est largement suffisante. Il est possible de l'augmenter jusqu'à 1 MΩ en modifiant R3 en conséquence, mais cela conduira aux conséquences ci-dessus. Aux hautes fréquences, la résistance d'entrée est plus faible et est principalement capacitive, mais cela n'affecte pas la procédure de mesure, car les circuits à haute résistance sont rares aux hautes fréquences. A propos de la conception. La plupart des pièces de la sonde sont placées sur une carte de circuit imprimé en fibre de verre double face, dont un croquis est illustré à la fig. 2. D'un côté, un amplificateur opérationnel et toutes les résistances sont placés, sur le second - les condensateurs C2-C5. Les connexions entre les côtés de montage sont réalisées par des conducteurs à travers des trous dans la carte. Les interrupteurs sont installés sur le corps de la sonde et le condensateur C1 est installé directement sur SA1.
Le corps de la sonde (Fig. 3) est constitué d'un tube en plastique 1 (à partir d'un stylo-feutre d'un diamètre d'environ 18 mm), qui est inséré dans un boîtier métallique 2. La carte 3 est placée à l'intérieur du tube, commute SA1 et SA2 (4 et 5) y sont fixés. Par le bas du tube, les fils de connexion et d'alimentation sont sortis - 6. Le fil commun de la carte est connecté au boîtier, et à travers le trou de celui-ci, le fil de la broche métallique X1 - 7 est sorti. les connexions internes doivent être réalisées avec un câble de longueur minimale, et externes - circuits de puissance et de signal - respectivement blindés et HF.
Étant donné que l'un des deux amplificateurs opérationnels n'est pas utilisé dans le microcircuit, ses entrées (broches 5 et 6) sont connectées à un fil commun. La configuration de l'appareil revient à régler le gain requis qui, lorsque la sonde fonctionne avec un oscilloscope à haute impédance d'entrée, est réglé sur 10 à une fréquence de 10 MHz en sélectionnant la résistance R1 (avec SA1 fermée). Si la sonde est utilisée avec un oscilloscope avec une entrée à faible impédance, une partie du signal de sortie est désactivée par la résistance de terminaison R5. Par conséquent, une résistance R6 est introduite dans le circuit, et en sélectionnant sa résistance (lorsque SA1 est ouvert), le coefficient de transfert est défini sur 1. Lorsque SA1 est fermé (mode haute sensibilité), le gain égal à 10 est défini en sélectionnant résistance R1. Les résistances MLT, S2-10, S2-33, R1-12, les condensateurs C1-C3 de la série KM ou d'autres groupes de petite taille (K10-17, K10-47), C4, C5 - K52 ou similaires sont applicables dans le dispositif. Vous pouvez utiliser des amplificateurs opérationnels large bande AD812AR ou AD817AN, AD818AN de la même société, qui sont moins chers en raison de la bande passante inférieure (50 MHz), mais leur utilisation entraînera également une réduction de la bande de fréquences de fonctionnement. Pour alimenter la sonde, il faut une alimentation stabilisée bipolaire avec une tension de sortie de %12...15 V. A noter que le courant consommé en l'absence de signal est de 10...15 mA, en fonctionnement sur une charge à faible résistance, lorsqu'un signal est appliqué, le courant peut augmenter jusqu'à 100 mA . littérature
Auteur : I. Nechaev, Koursk
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