Nanoeletronika Temat projektu: Wysokoomowa i o małej pojemności sonda o dużym paśmie przenoszenia (DC-200MHz lub 1MHz-200MHz). ang. Active probe Wydział EAIiE Katedra Elektroniki 17 czerwiec 2009r. Grupa: Dębski Janusz Banaszek Juliusz
Wstęp Dwa rodzaje sond pomiarowych: - Sondy pasywne - Sondy aktywne Sondy pasywne nie zawierają elementów aktywnych takich jak np. tranzystory, więc nie wymagają żadnego zewnętrznego napięcia zasilania. Sondy pasywne mają na wejściu umieszczony rezystor zwykle 9MΩ połączony równolegle z regulowanym kondensatorem umieszczonym na baypassach w celu wyeliminowania pasożytniczych pojemności kabla. Rezystor wartości 9MΩ używamy ze względu na to, że większość oscyloskopów ma rezystancje wejściową równą 1MΩ, co daje możliwość prostego uzyskania sondy o podziale 1:10. W sondach pasywnych używany jest kabel współosiowy BNC. Sondy pasywne pracują w zakresie częstotliwości od 0 do około 100MHz.
Sonda pasywna Schemat typowej sonda pasywnej.
Sonda aktywna Współcześnie produkuje się sondy aktywne, które pozwalają na pełne wykorzystanie pasma oscyloskopu. W przeciwieństwie do sond pasywnych wymagają one zewnętrznego napięcia zasilania, gdyż zawierają w swoim układzie elementy czynne (lampy, tranzystory, układy scalone). Schemat typowej sondy aktywnej. Dzięki zastosowaniu specjalnych typów tranzystorów polowych uzyskuje się małą pojemność wejściową układu. Dla wyeliminowania wpływu kabli, element czynny, tranzystor umieszcza się w końcówce sondy. Dzięki temu zminimalizowany jest wpływ jakichkolwiek pojemności montażowych. Obecnie produkuje się sondy o oporności wejściowej 1MΩ pojemności 1pF pracujące w paśmie do 1GHz.
Funkcje i własności układu - duża rezystancja wejściowa i mała pojemność wejściowa (2pF)- dzięki czemu duże pasmo przenoszenia; - pozwala w pełni wykorzystać dostępne pasmo oscyloskopów na 200MHz; - liniowa faza i stałe wzmocnienie 1x w wymaganym paśmie - rezystor terminujący na wyjściu 15Ω z zapasem 10%
Wybór odpowiedniego wzmacniacza dlaczego MAX4200? Cechy charakterystyczne: -prąd zasilania 2,2mA; - 4200V/μs Slew Rate; - -3dB pasmo do 660MHz; - 0,1dB pasmo do 220MHz; - wzmocnienie układu 1x; - Full-Power Bandwidth dla VOUT 2VP-P około 490MHz;
Symulacje układu w programie LTspice - analiza AC Charakterystyka fazowa i wzmocnienia dla napięcia wejściowego o amplitudzie1v.
Symulacje układu w programie LTspice analiza transient Wykres napięcia wejściowego i wyjściowego. Na wejście podany sygnał o amplitudzie 5V i częstotliwości 200MHz.
Kiedy układ się wzbudza?
Wpływ doboru rezystora terminującego. Przykładowa symulacja dla Rt=1Ω. Układ się wzbudza.
Wpływ doboru rezystora terminującego. Przykładowa symulacja dla Rt=10Ω. Układ się wzbudza.
Wpływ doboru rezystora terminującego. Przykładowa symulacja dla Rt=100Ω. Układ się wzbudza.
Schemat układu w programie Eagle
Schemat płytki do montażu Widok Bottom Widok Top
Schemat płytki do montażu ciąg dalszy Płytka dwustronna
Wyniki testowania układu Charakterystyka zależności wzmocnienia od częstotliwości. Wzmocnienie [db] 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 -8-9 -10-11 -12 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Częstotliwość [MHz] Wzmocnienie [db]
Wyniki testowania układu ciąg dalszy Charakterystyka zależności wzmocnienia od częstotliwości dla R=1k szeregowo na wejściu. Wzmocnienie [dbm] 0-5 -10-15 -20-25 -30-35 -40-45 -50-55 -60-65 -70 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Częstotliwość [MHz] Wzmocnienie [dbm]
Wyniki testowania układu ciąg dalszy Wykres zależności wzmocnienia od częstotliwości dla sondy do 200MHz z dołożonym tlumnikiem 50ohm 0-5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Wzmocnienie [dbm] -10-15 -20-25 -30-35 -40-45 Częstotliwość [MHz] Wzmocnienie [dbm]
Sonda do 20MHz na wzmacniaczu operacyjnym MAX4104 Wzmacniacz operacyjny MAX4104: - prąd zasilania 20mA; - -3dB Bandwidth do 625MHz; - 0,1dB Bandwidth do 100MHz; - wzmocnienie 10x;
Symulacje układu w programie LTspice - analiza AC Charakterystyka fazowa i wzmocnienia dla napięcia wejściowego 1V.
Symulacje układu w programie LTspice analiza transient Wykres napięcia wejściowego i wyjściowego. Na wejście podany sygnał o amplitudzie 1V i częstotliwości 20MHz.
Schemat układu
Schemat płytki etap testowania
Wyniki testowania układu Charakterystyka zależności wzmocnienia od częstotliwości dla sondy do 20MHz Wzmocnienie [db] 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0-2 -4 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 częstotliwość [MHz] Wzmocnienie [db]