Осциллографический ВЧ пробник с Свх = 0.5 пф

При осциллографических измерениях в высокочастотных устройствах входная емкость делителя может вносить значительные искажения в настраиваемый узел (например, при подключении пробника к контуру ВЧ генератора и т.п.). Делители с коэффициентом 1:1 имеют входную емкость порядка 100 пф и более (емкость кабеля плюс входная емкость осциллографа), что существенно ограничивает их частотный диапазон. В то же время стандартные пассивные делители 1:10 с входной емкостью 12 – 17 пф снижают чувствительность осциллографа до 50 мВ на деление (при максимальной чувствительности по входу равной 5 мВ / деление, типичной для большинства промышленных осциллографов), а также имеют все еще слишком большую входную емкость для проведения неискажающих измерений в ВЧ цепях, где емкости контуров могут иметь такое же значение.

Данная проблема решается использованием для измерений специальных активных пробников, выпускаемых для этой цели (например, фирмой Tektronix). Однако, эти устройства довольно трудно найти и их цена (от $150 и выше) сопоставима с ценой хорошего б/у осциллографа. В то же время не представляет большой сложности самостоятельно изготовить простой активный осциллографический пробник с малой входной емкостью, что и было сделано автором.

Активный осциллографический пробник предназначен для измерений переменных напряжений в низковольтных ВЧ схемах и имеет следующие характеристики:

• Диапазон измеряемых амплитудных значений сигнала – от 10 мВ до 10 В
• Частотная характеристика – линейна от 10 КГц до 100 МГц при малом сигнале
• Выходной сигнал – инвертированный, с коэффициентом деления 1:2
• Напряжение питания – 12 вольт (4 * CR2025) или внешний источник
• Входная емкость – 0.5 пф ( 0.25 пф с внешним делителем 1 : 10 )
• Входное сопротивление – 100 килоом
• Потребляемый ток – 10 мА
• Размеры 60 х 33 х 16 мм

Внешний вид изготовленного прибора приведен на фото.

Конструкция прибора

Принципиальная схема пробника приведена на рисунке. Прибор собран на трех малошумящих СВЧ транзисторах 2SC3356 с граничной частотой 7 ГГц. Коэффициент усиления по напряжению составляет около 23 дб. Выходной эмиттерный повторитель служит для дополнительной развязки усилителя от нагрузки и может быть исключен, если пробник будет использоваться с одним и тем же осциллографом. Цепочка из светодиода, стабилитрона на 9 вольт и резистора служит индикатором включения и пороговым индикатором напряжения батареи питания. Питающее напряжение 12 вольт необходимо и достаточно для того, чтобы получать на выходе прибора максимальное амплитудное значение измеряемого сигнала до 5 вольт, и тем самым обеспечивать максимальный динамический диапазон до 50 дб при проведении измерений с установкой коэффициента отклонения, начиная от 5 мВ на деление (чувствительность большинства осциллографов).

Конструктивно прибор может быть собран в любом подходящем пластмассовом корпусе. Главное требование к материалу корпуса – прочность и низкие потери материала на высоких частотах. Для уменьшения входной емкости пробника не следует размещать его в металлическом корпусе: при входном сопротивлении 100 килоом и малой длине соединений внутри корпуса внешние наводки не играют роли, особенно если учесть, что нижняя граница частотного диапазона была сознательно выбрана намного выше частоты электрической сети.

Пробник включается нажатием кнопки в момент проведения измерений, что гарантирует работу прибора без замены внутреннего источника питания в течение длительного времени. Кроме того, как видно на фото, кнопка включения защищена от случайного нажатия, когда прибор не используется для работы. Для работы в непрерывном режиме предусмотрен разъем для подключения внешнего источника питания 12 вольт, 10 мА.

Внутренний вид прибора показан на фотографии. Металлическая упругая пластина с четырьмя винтами фиксирует пакет из расположенных под ней четырех литиевых батарей CR2325. Выходной коаксиальный кабель должен быть надежно закреплен прижимной пластиной на винтах, как видно на фото. Входной СВЧ усилитель смонтирован на подходящей миниатюрной плате (автор применил керамическую плату размерами 10 х 10 миллиметров с 12 точками для припайки выводов, от элемента этажерочного микромодуля – эти детали изготовлялись в 60-е годы до появления микросхем и весьма удобны для изготовления миниатюрных схем с современными SMD компонентами).

Налаживание

Этот этап работы должен быть проведен весьма тщательно для получения нужного результата.

1. После сборки усилителя необходимо прежде всего точно установить его рабочую точку подбором резистора на 120 килоом для получения максимальной амплитуды неискаженного сигнала на выходе. В данной схеме и при свежих элементах питания этот режим достигается при установке постоянного напряжения от +5.2 до +5.3 вольта на эмиттере второго транзистора. Рабочая точка второго эмиттерного повторителя не требует настройки при указанных номиналах резисторов.
2. Далее следует точно подобрать значение нижнего по схеме резистора (в данном случае 20 килоом) входного делителя для получения требуемого маштаба ( 1 : 2 ) передачи сигнала между входом и выходом прибора на относительно низкой частоте (порядка 100 КГц). Заметим, что входное сопротивление усилителя при указанных номиналах деталей составляет около 5 килоом (на той же частоте), так что при отсутствии указанного резистора коэффициент передачи устройства будет выше требуемого примерно на 3 дб (величина ослабления входного сигнала равняется (105 / 5) = 26 дб, в то время как общий коэффициент усиления схемы равен 23 дб, а требуемый коэффициент передачи всего устройства должен быть равен 0.5, т.е. минус 6 дб).
3. Подбор компенсирущих емкостей ( 0.5 пф параллельно резистору на 100 килоом, и подстроечный конденсатор в нижней ветви входного делителя) осуществляется путем сравнения коэффициента передачи на двух частотах, например, 1 МГц и 30 МГц, и подбора емкостей до получения нужного постоянного коэффициента передачи устройства. Далее производится окончательная проверка устройства на верхней рабочей частоте, если у радиолюбителя имеется такая возможность.
4. В заключение проверяется фактическая входная емкость пробника на высокой частоте (например, подключением его к контуру с известными параметрами работающего генератора и контролем изменения частоты выходного сигнала по цифровому частотомеру или приемнику). При правильном выполнении конструкции прибора она не должна существенно отличаться от указанного на схеме значения (суммарная входная емкость в изготовленном автором пробнике, измеренная на частоте 20 МГц, составила 0.505 пф).

Замечания

При создании данного прибора не ставилась задача построения профессионального измерительного устройства высокой точности. Использованная автором простая схема усилителя является несимметричной и увеличивает длительность заднего фронта меандра на выходе прибора (за счет паразитных емкостей кабеля и входа осциллографа) при подаче на вход пробника прямоугольного сигнала с малой длительностью нарастания и спада напряжения. Этот эффект проверялся автором с помощью логического генератора прямоугольных импульсов частотой 2 МГц и длительностью переднего и заднего фронтов в 4 наносекунды, с выходной амплитудой от нуля до 4 вольт. Измеренная длительность заднего фронта прямоугольного сигнала на выходе изготовленного автором пробника составляет около 50 наносекунд при перепаде напряжения на выходе от 2 в до нуля. Данное обстоятельство ограничивает неискаженную по форме амплитуду наблюдаемого синусоидального сигнала с ростом его частоты. Разумеется, можно улучшить этот показатель тем или иным способом, но это будет приводить к росту потребляемого пробником тока от источника питания, что нежелательно. Простые расчеты дают приближенную формулу для определения максимальной амплитуды сигнала на входе пробника в зависимости от его частоты: А = min (10 , 25 / F [MHz]). Другими словами, на частоте 10 МГц максимальная амплитуда входного сигнала не должна превышать 2.5 вольт, а на частоте 100 МГц это значение падает до 250 мВ.

Простейший и самый надежный способ расширить динамический диапазон пробника – при необходимости подключать к его входному щупу дополнительный внешний делитель 1 : 10, что и было сделано автором. Конструкция такого дополнительного делителя приведена на фото. Подстроечный конденсатор частотной коррекции ( 2 – 6 пф ) служит для компенсации малой паразитной емкости (около 0.25 пф), образованной контактами щупа и резистором МЛТ 0.125 на 100 килоом. Как видно на снимке, этот резистор располагается между параллельно расположенными контактными стержнями и должен быть жестко припаян к ним коротко обрезанными до длины около 5 мм выводами (автор использовал контакты от разъемов типа МРН или аналогичных).

Данный пробник создавался автором для измерений в цепях синусоидальных ВЧ сигналов в контурах генераторов и усилительных каскадов транзисторных схем, и он в целом решает поставленную задачу. Именно по этой причине в пробнике и был выбрано указанное выше соотношение между всеми основными параметрами прибора – его частотным диапазоном, высокой чувствительностью, достаточно большим входным сопротивлением и минимально возможной входной емкостью измерителя, а также небольшим потребляемым током. Радиотехника – это всегда компромисс при заданных разработчиком предельных значениях параметров.

Дмитрий
Киев