Probe Preamp - Gain 20dB

Eerst de ingang.

Tegen welke spanning en bij welke frequentie beveilig je?
Misschien voor de + ingang van de OPA een kleine weerstand plaatsen. (2,5pF en 30mA)
C6 100n ?

Hi René,

De ingang moet beveiligt zijn tegen stommiteiten en "normale" statische ontladingen.
De opbouw is enigzins afgekenen van vele osciloscoop ingangs versterkers van HP, TEK, Hameg enz.
Als ik alleen een probe op de ingang gebruik, kan de beveiliging eigenlijk achterwege blijven.
Dit omdat de 1:10 probe de stroom al begrenst samen met de diodes ingebakken bij de OPA653.

C6 trimmer van 100nF, ken jij die nog niet in de SMD versie? *grin* foutje, sorry.

Wat losse gedachten...
Nog even een aanvulling waarom ik niet direct met de LMH6702 start.
Deze heeft natuurlijk het voordeel dat ik niet met de lage impedanties moet worstelen wat betreft de kantelpunten in het lage frequentie gebied.
Maar... ondanks de zeer hoge bandbreedte gaat een 10x trap flink omlaag wat kantelpunt in de hoge frequenties.
De oplossing is dan eigenlijk twee trapjes met de LMH6702 de laatste dan zeg 2 a 3x laten versterken
om de vervorming laag te houden omdat deze trap uiteindelijk de 100 Ohm belasting moet gaan aansturen.
Het trapje hiervoor zou dan de rest van de versterking op zich moeten nemen om totaal 10x te krijgen.

Mooi, nu weer geld verdienen!

Gegroet,
Bram

Ik heb vaak naar scoops gekeken.
Maar i.v.m. de ESD diodes zou ik toch een (ong.) 100Ω voor de OPA zetten.
Als je tegen ESD ontwerpt dan R2, R3 en C2 uit 3 (of meer) stuks in serie opbouwen.

Hi René

Het blijft moeilijk de afwegingen te maken, bandbreedte/beveiliging enz, maar dat wist je al.

R1 zou ik kunnen verplaatsen naar de +ingang van de OPA653, zie het aangepaste schema (refresh page).

De ingang van de GALI-84 heb ik de koppel condensator groter gemaakt en de serie weerstand lager.
Deze comby moet ik nog even testen wat vlakheid betreft met de spectrum analyzer.

Ook aan de uitgang heb ik het netwerk nu een beetje aangepast.
De "Pull Up" is nu een serie schakeling van FB, smoorspeol en nu nog een 150 Ohm weerstand.
Deze weerstand moet dan vervangen worden door een stroombron van rond de 100mA.
Hiermee blijft de SWR dan ook hoog in de lage frequenties voor de uitgang en de FB samen met het smoorspoeltje hebben een lagere paracitaire capaciteit naar de omgeving.

Hier moet ik op letten omdat ik ook nog C12, C13 en R8 heb die een capaciteit naar de omgeving hebben.
Met R9, R10 en C14 kan ik maar een klein gebied compenseren als nodig.

Terug naar het werk

Gegroet,
Bram

Ik zou R1 laten staan aan de ingang en een weerstand voor de OPA rekening houdend met de 2,5pF (+ 1pF t.g.v. print) en een -3dB van ong. 200MHz.
Trimmers aan een kant aan GND heeft de voorkeur.
Via welk pad ontladen de 470uF C's zich bij uitschakelen.

Hi René,

R1 van 22 Ohm laat ik daar even zitten, en dat is omdat ik denk met betrekking tot de mechanische opbouw dit beter uitkomt.
En het kantelpunt aan de ingang verschuift hierdoor wat omhoog.
D1 en D2 kunne het hierdoor iets zwaarder krijgen bij een overbelasting.

De twee elco's, dat is een goede René, daar had ik deze keer nog niet aan gedacht...
Aan de uitgang is dit niet z'n probleem, aan de ingang echter wel.
Als je zon soort versterker opblasst is het meestal de basis die je er uitblaast schoot me vanmiddag te binnen i.v.m. mijn vorige experimenten.

Ik laat het nog even bezinken, kijken wat een warme hap doet met mijn inzicht

Gegroet,
Bram

Ook ik ben bezig geweest met een Hi-Z naar 50R buffer.
Dit kwam voort uit de wens om met name met mijn Spectrum Analyser aan hoog Ohmige (lees niet 50Ω) systemen te kunnen meten.

Belangrijk uitgangspunt is dat zo'n buffer transparant moet zijn. Je wilt naar het spectrum van je DUT kijken, en niet naar de paaltjes die de buffer er aan toegevoegd heeft....

Eerste experimenten, en even rekenen leerden al gauw dat een erg hoge ingangsimpedantie eigenlijk niet nodig is. Immers de ingangscapaciteit van de buffer domineert bij hogere frequenties al volledig de ingangsimpedantie.

Voorbeeld: stel de ingangscapaciteit op 10pF, dan is Xc bij 10MHz 1,6kΩ
Als je bron een impedantie van 1kΩ heeft zul je met die 10pF al op 16MHz op je -3dB punt zitten.....

Conclusie: Een hoge ingangsimpedantie is niet nodig, maar zo laag mogelijke ingangscapaciteit is cruciaal!
(Schakelingen met hoge frequenties zullen per definitie redelijk laag-ohmig opgezet zijn)

Na prototypen met verschillende veelbelovende opamps bleek bij de meeste het probleem dat bij hogere frequenties de vervorming snel toeneemt.

De uitblinker bleek de LMH6702, een "1.7-GHz Ultra-Low Distortion Wideband Op Amp". Ontworpen om hoge resolutie, high-speed A-D converters zonder vervorming aan te sturen. De ingangscapaciteit volgens de datasheet is slechts 1,6pF!

Hiermee heb ik deze buffer ontworpen:

Zoals je ziet uiterst simpel!
De opbouw is minder makkelijk omdat bij deze frequenties print-layout cruciaal is. Gelukkig is er voor $10,- een evoluation board. Dus daar een paar van besteld.

Opgebouwd op het evoluation board haal ik nu (na wat aanpassingen) een ingangcapaciteit van 1,9pF!
Dat is dan wel de kale print. Met een BNC connector zoals op de foto zit ik alweer op 4pF...
Voor kritisch gebruik soldeer ik het printje dus met 2 korte draadjes rechtstreeks op de DUT.

Gain is 2x, zodat na de verzwakking door de 50Ω uitgang er precies een 1x buffer over blijft.
Hierbij is het maximale ingangssignaal 1Vrms / 3Vtt / +13dBm. Dit is voor mij tot nu toe altijd voldoende gebleken.
(En voor hogere signaal niveaus zijn er andere, geschiktere methoden)

Aanvankelijk had ik problemen met pieken en resonanties in het hoog (600MHz...1GHz) in zo'n niet afgesloten ingang. Zelfs zonder kabels.
Het toevoegen van stopweerstandje R2 deed wonderen.
Nu blijven bij elke (redelijke) kabellengte aan de ingang de rimpels binnen 1 à 2dB:

De bandbreedte is dus zo'n 870MHz. Maar dat haal je natuurlijk alleen bij een erg lage bronimpedantie....
(Onder de 100Ω dus)

De vervorming is inderdaad erg laag. Volgens de datasheet onder 0,01% tot 10MHz, oplopend tot zo'n 0,3% bij 100MHz.
Hier een meting van mij:

Zoals je ziet heb ik vooral het residu van mijn generator (Rigol DG1032Z) zitten meten....
Voor de duidelijkheid heb ik dat generator residu ook geplot. Daar uit blijkt dat de stijgende curve boven 10MHz gewoon van de generator zelf is.
De LMH6702 is te goed om door mij gemeten te worden.... (Overigens precies wat je wilt voor een meet buffer!)

De ook gemeten AD811 doet het een stuk minder. Boven de 3 à 5MHz begint de vervorming de pan uit te rijzen.
Een beeld wat ik bij meer veel belovende opamps terug zag.

Ingangsbescherming heb ik bewust achterwege gelaten. Elke pF weegt (te) zwaar aan de ingang!
Mijn ingangsbescherming is de LMH6702 zelf
Met de hetelucht soldeerbout zit er zo weer een nieuwe op.... (maar nog niet nodig geweest)
Ook bewust geen weerstand naar massa voor C1. Het is maar een klein C'tje dat niet veel lading kan opslaan, en de schakeling zal per definitie op vrij laagohmige schakelingen worden aangesloten.

Belangrijk punt is natuurlijk dat die lage ingangscapaciteit gehaald moet worden op het meetpunt! Hier scoort de methode met een 1:10 probe natuurlijk makkelijk. Maar de ingangscapaciteit van zo'n probe is altijd nog 10...12pF. Dus maar een kwart van de bandbreedte....
Misschien moet je mijn schakelingetje dan ook gewoon zien als een actieve probe. Ik denk er over om er nog 1 te bouwen in die vorm-factor. (van dat printje is nog makkelijk de helft af te zagen)

Een hogere ingangsimpedantie met de LMH6702 is overigens wel mogelijk. (dataheet spec voor Rin: 1,4MΩ). Ik heb gekozen voor 10k omdat er bij hogere Rin wat DC offset ontstaat. Maar die is natuurlijk eenvoudig weg te regelen

groet, Gertjan

M.b.t ingangsbescherming.

Bij deze waarden erg lastig.
Misschien dat 2 anti parallelle series van elk 4 diodes en een R van 12 ohm naar gnd net werkt.

@miedema: Ik volg je dat de capaciteit domineert, maar is net niet het doel van een scope probe dat hier voor gecompenseerd wordt? Ik herinner me dat op TekWiki bestanden stonden waarin probes werden besproken, ook hun resistive coax etc.

Edit: terug gevonden: http://www.davmar.org/TE/TekConcepts/TekProbeCircuits.pdf

[Bericht gewijzigd door mathias718 op donderdag 19 november 2015 18:02:00 (24%)

Ha mathias718,

Met de probe compensatie maak je de spanningsdeler van de probe weer recht voor hoge frequentie. Je compenseert de ingangscapaciteit van de scoop. (plus de kabel capaciteit, natuurlijk)

En inderdaad verklein je de scoop ingangscapaciteit van 15...30pF naar 10..12pF met een 10:1 probe. Plus dat je het probleem van de capaciteit van de kabel naar de scoop opgelost hebt.

Maar het probleem blijft dat die 10...12pF ingangscapaciteit een hoog-af filter vormt met de bron-impedantie van je te meten signaal...

Klassieke oplossing is een 100:1 probe. Dan hou je nog maar zo'n 2pF ingangscapaciteit over. Maar moet je wel een hoop versterken.... Of een actieve probe. En dat is min of meer wat ik gemaakt heb

@ rbeckers
4 in serie staande diodes is ook nog 0,5pF.....

Misschien is het ook interessanter om het eerst eens over de algemene concepten, voor en nadelen, te hebben?

groet, Gertjan

Hi Heer Miedema

Lijkt mij eigenlijk wel een goed plan om een algemene discussie te starten over gebruik van breedband versterkers.

Ik ben dit topic gestart voor een probe voorversterker zodat ik 1x gain heb aan de probe tip.
Verder hield ik de mogelijkheid open voor een 50 Ohm ingangs impedantie.

Wat ik wel zou willen weten is wat het niveau men zou willen hebben aan de uitgang.
Ik ging uit van 1V RMS.

Gertjan geeft al aan dat de AD811 voor zijn gebruik niet voldoet, het is nog steeds een goede opamp maar er zijn nu opamps met een veel grotere bandbreedte, alleen meestal niet met de stroom en de spanning waar de AD811 voor geschikt is.

Bij het kijken naar snelle opamps kijk ik meestal naar de slew rate en de bandbreedte waarbij het volle uitsturing mogelijk is om snel een indruk te krijgen van wat mogelijk is.

Dus input graag, misschien komen we tot iets moois of twee/drie versies voor verschillende toepassingen.

Gegroet,
Blackdog

Gertjan, met al je punten ben ik het eens.

Edit:
is 100mV uit in 50Ω niet genoeg?

[Bericht gewijzigd door rbeckers op donderdag 19 november 2015 20:01:12 (37%)

Hi blackdog,

Ik heb in het verleden ook wel eens gestoeid met een versterker trapje.

Als ik zal proberen om morgen een en ander door te rekenen en door de simulator te halen.
Geen idee of het iets wordt maar mijn ervaring is dat er niet een opamp echt bruikbaar is.
Ik persoonlijk hecht toch meer waarde aan een rf opzet op die frequenties.

Gr Henk.

Snel nadat ik mijn SA had bleek dat ik van alles wilde meten dat niet 50Ω uit was.....
Nadenkend over oplossingen kwam ik er al snel achter dat dit een breed terrein is.
B.v als ik veel met schakelende voedingen zou doen zou ik iets willen hebben wat ook differentieel, of isolerend was.
Er zijn dus veel verschillende oplossingen mogelijk, voor een scala van problemen

Ik besloot te beginnen met eenvoudige buffers, en die aanpassen aan wat op dat moment nodig was.
Om er zo achter te komen waar het schip strandt.

Die aanpak bevalt eigenlijk nog steeds prima. Ik denk eigenlijk dat die buffertjes eeuwige prototypes zullen blijven, eenvoudig aanpasbaar aan het volgende probleem.

Een voorbeeld:
Laatst heb ik mijn Philips mV meter (PM2554) geserviced, en geoptimaliseerd voor vlakke freq.karakteristiek. (De spec. gaat tot 12MHz, maar hij loopt door tot 30Mhz) In dat hoog zaten wat flinke pieken. Door m'n SA achter de meetversterker te hangen kon ik de freq.curve door de verzwakker en versterker heen bekijken, en problemen lokaliseren. (oude elco'tjes, slecht massacontact)

Eerst had ik m'n buffer met een BNC koppelbus rechtstreeks op de AC uitgang gehangen. Helaas bleek de bandbreedte nu maar 15MHz....
Daarna de buffer met 2 korte draadjes meteen aan de uitgang op de print gesoldeerd, en nu had ik ruim 30MHz bandbreedte

Zo'n buffer leent zich ook niet voor een nette opbouw in een kastje. Dat betekent ingangsconnectors + bekabeling, wat je alleen maar verder van huis brengt. (natuurlijk niet voor 1MΩ in plus 10:1 probe)

Als er al een "nette" versie komt, dan in de vormfactor van een actieve probe. Met een header aan de tip. Waar een paar korte draadjes aan kunnen (voor soldeer aansluiting) of een BNC.

Maar ook een 1MΩ//20pF in versie blijft toch trekken, vanwege het gemak van die 10:1 probe, voor snel door een schakeling wandelen.
(Maar in de praktijk doe ik dat wel met m'n scoop, maar niet met de SA. Die hang ik ergens achter om vervolgens een gedrag te bekijken)

@ rbeckers

is 100mV uit in 50Ω niet genoeg?

Bijna te cryptisch voor me
Als je hiermee bedoeld dat een 10:1 probe met 1x buffer ook een optie is: helemaal mee eens.
Mijn SA is gevoelig genoeg, met indien nodig de ingebouwde 20dB RF versterker. Maar toch jammer om 20dB weg te gooien.... Soms kijk je naar zeer kleine signaaltjes (voedingsresidu b.v., of evt. RF instraling)
En extra versterken levert onherroepelijk ook extra vervorming op....

@ electron920
Interessant concept! Helemaal naar mijn hart: zo simpel mogelijk, maar niet simpeler dan optimaal. Ben benieuwd hoe lineair dit te krijgen is.

groet, Gertjan.

Leuk project ook weer.

Nu gebruik ik mijn SA niet veel. Ook eigenlijk alleen om ongewenste versterking van bijvoorbeeld harmonischen of doorlekkende clocking op te sporen.
Dus echt indicatief om snel een paaltje in beeld te hebben.
Ik gebruik een standaard breedband voorversterker van 26~30dB.
Simpel en goedkoop linkje

Voor exacte meting van de signaal sterkte zijn deze dingen trouwens echt niet geschikt. De versterking over de hele band is niet bepaald recht te noemen.
Maar om even snel een 'lekje' op te sporen wel erg handig.

@Gertjan,

Zolang er

bijna

staat is het in orde.

Blackdog schreef

Wat ik wel zou willen weten is wat het niveau men zou willen hebben aan de uitgang.
Ik ging uit van 1V RMS.

Een SA kan beter met 100mV dan met 1V overweg.
Een scoop heeft aan 100mV genoeg.

Isolerend, tot 10MHz, is ook interessant.

Ha René,

Dan had ik het toch "bijna" mis...
Maar natuurlijk wel een belangrijk punt!
Met het meten van de vervormingen van m'n buffers kwam ik er pijnlijk achter dat voor de laagste cijfers ik toch echt rond de -10dBm mijn SA in moest gaan.....

Ik wou toch nog even op die in/uit niveaus in gaan, Blackdog informeerde er naar.
Mijn LMH6702 buffer clipt ongeveer bij 1,2Vrms. Een reden voor de AD811 buffer was dat met zijn ±12V rails hogere ingangsniveaus mogelijk zijn. Echter, in de praktijk nog niet bij de hand gehad.

Het lijkt dus prima om 1Vrms / 3Vtt / +13dBm aan te houden als max ingang niveau voor algemeen gebruik.

Als het uitgangsniveau dan harder is dan optimaal is dat simpel op te lossen met een 50Ω verzwakker.

groet, Gertjan.

Gertjan,

Ik heb geen meetapparatuur die 1V nodig heeft maar wel een aantal dat problemen heeft bij 1V.
Verder voorzie ik 2 problemen. Het is moeilijker om 1V te halen, breedbandig in 50 ohm en bij gebruik is het probleem van storingen, als zender, veel groter.

Ha René,

Dat een buffer clipt bij 1Vrms wil natuurlijk niet zeggen dat je er zo hard in (en dus ook uit) móet...
Het is prettig om headroom te hebben
Verder is het veel makkelijker om aan de 50Ω kant te verzwakken, dan aan de ingang (maar kan natuurlijk ook).

In de (mijn) praktijk zijn de te meten signalen meestal rond 100mV of lager, dus komt het vanzelf goed.

In het geval van een uitgebreidere meetversterker, met schakelbare gain en/of verzwakker, zodat het uitgangssignaal te kiezen is los van het ingangssignaal, ben ik met eens dat rond 100mV / -7dBm uit een mooie streefwaarde is.
Veel beter dan 1V / +13dBm uit.

Problemen met straling heb ik nog niet opgemerkt. Maar dat zal ongetwijfeld aan mij liggen

groet, Gertjan.

Hoi Gertjan,

Dat ligt er helemaal aan hoever je van een zendmast zit.
Zeker bij mij in de omgeving heb ik veel last van 'rare spikes' in mijn metingen.
Hang is even een antenne aan de AS dan zie ik de zelfde spikes.
Gericht op de mast een paar honderd meter verderop worden de spikes wat groter.

Als ik terug ga rekenen komen die spikes van een DAB+ zender met ongeveer 45dBuV mijn hobby hok binnen...
Best lastig als je net in de vhf band aan het knutselen bent.

Ha wielklem,

Straling van buitenaf heb ik hier zeker wel. Vooral nadat er even verderop wat 4G mastjes neergezet zijn.
Zie je op je scoop een klein kriebeltje, en vraag je je af of dat uit jouw schakeling komt, of niet. Grrr.....
Maar dus geen last van straling, opgewekt door mijn eigen meet buffertje...

/on topic
Met de gedachtewisseling met rbeckers nog nagonzend in het hoofd is bij mij het besef ingedaald dat voor Hi-Z buffers ±5V voeding eigenlijk zat is. Exit AD811 buffer. En overweeg ik een LMH6702 exemplaar te gaan maken met ingebouwde 10x verzwakker.
Die functionaliteit combineren gaat niet lukken, vanwege het heilige pF budget....

groet, Gertjan.

Hi Heren,

Het gaat goed zo, maar er zijn volgens mij nog meer Heren hier op CO die goede input kunnen geven dan de gene die nu al gepost hebben.
Ik ben een en al oor!

Zoals altijd ben ik aan het kijken wat de grenzen zijn waar we tegenaan lopen.
Ik gaf al aan dat er misschien 2 of 3 ontwerpen uit komen...

Wil je b.v. alleen een 1M buffer/lage capaciteit met 2x gain en 50 Ohm uit dan is alleen de OPA653 zeker interessant.
Dit trapje kan je dan als meetpen uitvoeren omdat de schakeling weinig onderdelen bevat en de behuizing klein is.

De ruisbijdrage is ook vrij goed alhoewel dit onder de 10Khz beter zou kunnen.
Dit lijkt mij verder niet zo'n probleem daar voor audio frequenties andere mogelijkheden zijn.

Gertjan gaf het ook al aan, ik heb graag wat dynamiek over, vandaar de 1V uitgansspanning die ik als uitganspunt stelde.
Ik ben me er van bewust dat ik die bij 100Mhz niet de -70dB vervorming zal halen...

Henk
Jou schakeling ken ik al een tijdje, misschien behalve de BF862 een capaciteit arme FET nemen en wat ruisgetal opofferen en voor de PNP transistor een modern type nemen met een stuk hogere Ft?.
Kan je dan bij simulatie er vanuit gaan van een normale terminatie van 50 Ohm?
Ik zal later vandaag even kijken welke FET en PNP tor er goed uit de bus komen volgens mij.

Even ter info
Ik heb hier zowel een 1:100 probe met een lage ingangs capaciteit alsook een Philips FET probe, de PM8943.
Daarin ben ik dus al voor zien.

Maar ik zo graag wat versterker trapjes hebben, die ik enigszins universeel kan toepassen als nodig.
Als voorbeeld b.v. de HP465A, HP8447D enz dit zijn allemaal 60 jaren stijl versterkers, dat kan met moderne electronica makkelijker/beter denk ik.

Voor mij is voorlopig een bandbreedte van 100 a 200Mhz voldoende, maar ik hoor graag jullie wensen

Gegroet,
Bram

3 ontwerpen:

- isolatie versterker DC/AC 10MHz x1 tot x100, >1kV isolatie
- breedband 150MHz x1 tot x100, Max. 250V
- Hi Z 1GHz x1 tot x10 AC

Hi René,

Even wat snelle gedachten over je voorstellen...

1e
- isolatie versterker DC/AC 10MHz x1 tot x100, >1kV isolatie
Dit vind ik intressant om te gaan ontwerpen
Mijn eerste idee hierover (dat is niet nieuw) is een lage band te doen met de Avogado lineaire opto coupler en de hoge band met een trafo gekoppelde versterker.

2e
- breedband 150MHz x1 tot x100, Max. 250V
Hierbij wordt het lastig de abberaties constant te houden over de 0, 20 en 40dB gain.
De simpele oplossing is natuurlijk aan de ingang (ik ga uit van 50 Ohm in en uit) de verzwakker te plaatsen.
Dit gaat natuurlijk ten koste van het ruisgedrag, je hebt altijd de ruis 40dB versterkt aan de uitgang.
De HP versterkers waren zo uitgevoerd als ik het mij goed herrinner.

3e
- Hi Z 1GHz x1 tot x10 AC
Je weet dat je minimaal 4 a 5pF aan ingangs capaciteit hebt, dus Hi Z?
Ik heb geen idee of je bij deze bandbreedtes ook zoiets als een bootstrap/guard kan gebruiken?

Gegroet,
Bram