Wzmacniacz pomiarowy 12dB o pasmie 0-30MHz

Szanowne koleżanki i koledzy.

Chciałem zaprezentować projekt, który zrobiłem na swoje potrzeby już jakiś czas temu. Jest to wzmacniacz pomiarowy o wzmocnieniu 4x. Na co to komu? Ano posiadam generator funkcyjny, którego amplitudy generowanych przebiegów po prostu nie powalają. Czasami potrzebowałem dostarczyć do badanego układu przebieg o amplitudzie rzędu kilku V. Mogłem wydać dużo kasy i kupić porządny generator funkcyjny, mogłem zaprojektować swój generator funkcyjny, a mogłem też zaprojektować wzmacniacz do mojego obecnego generatora. Wybrałem tę ostatnia drogę jako najtańszą i najszybszą.

Urządzenie zasilane jest napięciem stałym z przedziału 6-24V. Układ sam wytwarza sobie sztuczną masę. Zakres napięć wejściowych nie powinien przekracza 3,5V wartości skutecznej. Ograniczeniem jest wejściowy rezystor dopasowujący impedancję. Układ układ scalony wzmacniacza operacyjnego (THS3061) zabezpieczony jest przed zwarciami. Jednak dopasowujący rezystor wyjściowy narzuca tutaj ograniczenie co do wartości prądu, jaki może popłynąć w obwodzie wyjściowym.



PCB została tak zaprojektowana, aby tor wejściowy i wyjściowy posiadał impedancję Ohm. Jeżeli będzie zainteresowanie, to podzielę się projektem. Poniżej znajduje się charakterystyka amplitudowa oraz schemat urządzenia (w załączniku). Charakterystyki fazowej nie ściągnąłem. Z moich obserwacji wynika, że do częstotliwości 10MHz jest ona stałą.

Nie eksperymentowałem dużo z układem i być może górną częstotliwość da się jakoś jeszcze podnieść. Mi wystarczy tak jak jest.

Pozdrawiam i zapraszam do krytyki. ;)

Przydatna rzecz, szkoda że THS jest praktycznie niedostępny.

Ja bym zastosował aluminiową obudowę i metalowe złącza, przykręcane do obudowy. Ewentualnie zrobił podwójne wyjście, żeby nie stosować trójników.

Brakuje mi tylko metalowej obudowy która by służyła jako ekran, po co ma łapać zakłócenia i do tego je wzmacniać.

Układ można zamówić jako sample, ten lub jakiś odpowiednik parametryczny.

sebek99 wrote:

Ewentualnie zrobił podwójne wyjście, żeby nie stosować trójników

To powiedz jeszcze jak to należy prosto zrobic.

Freddy wrote:

sebek99 wrote:

Ewentualnie zrobił podwójne wyjście, żeby nie stosować trójników

To powiedz jeszcze jak to należy prosto zrobic.

Może wystarczyłoby zastosować dwa gniazda w płycie. Skoro do jednego ma być podłączany oscyloskop a do drugiego badany układ, to oba gniazda powinny być połączone równolegle. Odpada wówczas stosowanie trójnika jak na pokazanym zdjęciu.

prosiak_wej wrote:

Może wystarczyłoby zastosować dwa gniazda w płycie. Skoro do jednego ma być podłączany oscyloskop a do drugiego badany układ, to oba gniazda powinny być połączone równolegle. Odpada wówczas stosowanie trójnika jak na pokazanym zdjęciu.

A przy okazji zafundować sobie pojemności montażowe itp. rzeczy.
Pozdrówka

THS3061 dostępny jest w farnellu. W TME widziałem wzmacniacze z pasmem o połowę mniejszym niż THS, więc też wcale nie najgorzej.

Co do ekranowanej obudowy. Nie badałem poziomu szumów własnych na wyjściu urządzenia, ani tym bardziej odpornosci układu na zakłócenia. Nie zauważyłem jednak żadnych ekstra szumów na wyjściu w moich amatorskich eksperymentach.

Trójnik na wejściu potrzebny jest tylko do roździelenia sygnałów, do oscysloskopu i zobrazowania działania urzadzenia. W praktyce nie potrzeba trójnika, a przynajmniej ja w moich zastosowaniach go nie używałem.

Pozdrawiam.

bobo wrote:

prosiak_wej wrote:

Może wystarczyłoby zastosować dwa gniazda w płycie. Skoro do jednego ma być podłączany oscyloskop a do drugiego badany układ, to oba gniazda powinny być połączone równolegle. Odpada wówczas stosowanie trójnika jak na pokazanym zdjęciu.

A przy okazji zafundować sobie pojemności montażowe itp. rzeczy.
Pozdrówka

Mądrze poprowadzić ścieżki i zastosować dobre gniazda to pojemności montażowe będą mniejsze niż pojemność trójnika.

Jak czytam te bzdury o równoleglych gniazdach to mi się .......
Oporność falowa koledzy, zapomnieliście o czymś takim ? Przy równoleglym połączeniu gniazd nie bedzie 50Ω lecz 25Ω. Będą w związku z tym niedopasowania i straty mocy sygnału.
Uprzedzę Wasze kolejne listy, trójnik ma po 50Ω z każdej strony.

Jeżeli Ku wynosi 4, jak na wykresie, to w tytule nie powinno być 12dB?

Szafir84, 20log(Ku) = 12dB mój błąd, już poprawiłem

Zastanawiam się dlaczego uzyskane pasmo jest tak niskie ? Mi problem ten nie dałby spokojnie spać. Podstawowy parametr (nie jedyny) potrzebny do oszacowania pasma to "unity gain bandwith" wynoszące 300MHz. Transimpedancja na otwartej pętli dla DC też jest duża. Wzmocnienie to jedynie 4V/V. Skąd zatem takie pasmo, skoro w katalogu podaje się nisko sygnałowe pasmo dla G=5 wynoszące 230MHz ?

Śmiem twierdzić, że rezystory wnoszą dodatkowe pojemności. Inna sprawa, że pasmo mogło zostać źle zmierzone. Sugerowałyby to zdjęcia. Sam nie raz się przekonałem, że wiarygodny pomiar pasma jest trudniejszy niż się wydaje. Prawdopodobnie pasmo pomierzone było oscyloskopem o rezystancji wejściowej 1MΩ. Taki oscyloskop dołączony został poprzez przewody koncentryczne do wzmacniacza. Kiedyś zrobiłem podobnie. Chciałem wyznaczyć pasmo oscyloskopu OS-710 (ponad 150MHz) za pomocą generatora w.cz. G4-116 (4-300MHz). W tym celu dołączyłem wyjście 50Ω w generatorze przewodem koncentrycznym 50Ω do wejścia 1MΩ oscyloskopu. Uzyskane pasmo -3dB wyniosło tylko 30MHz.

Sugerowałbym raczej dołączyć oscyloskop bezpośrednio do wyjścia wzmacniacza. Na wejściu można nic nie dołączać, bo pewnie generator funkcji "trzyma" amplitudę sygnału w funkcji częstotliwości. Jeżeli nie, to moim zdaniem jest bezużyteczny, lub przynajmniej uciążliwy. Zupełnie inny wynik uzyska się też dołączając sondy bierne 1:10. Warto też pomierzyć czas narastania (typowo 10%-90%), ale to też trudny pomiar.

Jak jest ze stabilnością ?

Freddy wrote:

ak czytam te bzdury o równoleglych gniazdach to mi się .......
Oporność falowa koledzy, zapomnieliście o czymś takim ? Przy równoleglym połączeniu gniazd nie bedzie 50Ω lecz 25Ω. Będą w związku z tym niedopasowania i straty mocy sygnału. ...

To akurat prawda. Tyle, że dołączyć bez elementów aktywnych dwóch obciążeń do jednego źródła bezstratnie też się nie da. Główny problem przy takich kombinacjach równoległych to odbicia. W tym układzie jednak jest raczej tak, jak pisałem wcześniej.


Przepraszam za tak długą wypowiedź.

AVE...

Mnie też zastanawia to ograniczone pasmo. Sam dla większego pasma mam w projekcie AD8011. Zresztą ostatnio o tym był epizod na EEVblog. Rada prowadzącego: dołączyć oscyloskop do układu za pomocą sond oscyloskopowych. Spece od krótkofalarstwa wiedzą o tym, że zwykłe kable koncentryczne łączone trójnikami mogą tworzyć balun, który zmienia impedancję falową, co wpływa na pasmo...

Urgon wrote:

AVE...

Mnie też zastanawia to ograniczone pasmo. Sam dla większego pasma mam w projekcie AD8011. Zresztą ostatnio o tym był epizod na EEVblog. Rada prowadzącego: dołączyć oscyloskop do układu za pomocą sond oscyloskopowych. Spece od krótkofalarstwa wiedzą o tym, że zwykłe kable koncentryczne łączone trójnikami mogą tworzyć balun, który zmienia impedancję falową, co wpływa na pasmo...

Pisałem o sondach. Można też dołączyć od strony wyjścia bezpośrednio. W ten sposób uzyskałem najlepsze wyniki, gdy bawiłem się w budowę prostego reflektometru (TDR). Faktem jest, że z trójnikami dzieją się czasem dziwne rzeczy. Jednak ja miałem problemy przy większych częstotliwościach niż 30MHz.

Co do pomiarów to, zamiast dołączać sondy, dolutowałbym bezpośrednio na wyjście kabelek 50R zakończony beczką. I oczywiście ustawił odpowiednio impedancję wejściową oscyloskopu, o czym pisali koledzy. Pisałem kilka artykułów w którym pokazywano jak negatywnie wpływa podłączanie sondy do układu i dlaczego to nie jest zbyt wiarygodna metoda .

A co do samego układu to bardzo fajny. Pomijając ograniczone pasmo (jak rozumiem taka była potrzeba) to bardzo elegancka konstrukcja. Dlaczego nie pomyślałeś o zrobieniu układu o regulowanym wzmocnieniu? Nie mówię o wtykaniu w układ opornika ale np. o drabince oporników z zworkami do wyboru. No chyba że stosujesz za układem jakiś tłumik, w sumie +12 dB to spory zapas dynamiki, żeby mieć jak obcinać .

ghost666 wrote:

Co do pomiarów to, zamiast dołączać sondy, dolutowałbym bezpośrednio na wyjście kabelek 50R zakończony beczką. I oczywiście ustawił odpowiednio impedancję wejściową oscyloskopu, o czym pisali koledzy. Pisałem kilka artykułów w którym pokazywano jak negatywnie wpływa podłączanie sondy do układu i dlaczego to nie jest zbyt wiarygodna metoda .

Sondy to też nie jest idealny pomysł, ale jednak lepszy od tego, co jest teraz. Ponadto mało który oscyloskop pozwala zmienić swoją rezystancję wejściową. Celowo piszę rezystancję, bo to nie powinna być impedancja. Powinno się tu dążyć do rzeczywistego charakteru tego wejścia. Dołączenie takiej beczki zmniejszy sygnał dwa razy, ale tak powinno być. Dopasowanie robi się pod kątem mocy, nie zaś napięcia.

ghost666 wrote:

... Pomijając ograniczone pasmo (jak rozumiem taka była potrzeba) to bardzo elegancka konstrukcja. Dlaczego nie pomyślałeś o zrobieniu układu o regulowanym wzmocnieniu? Nie mówię o wtykaniu w układ opornika ale np. o drabince oporników z zworkami do wyboru. No chyba że stosujesz za układem jakiś tłumik, w sumie +12 dB to spory zapas dynamiki, żeby mieć jak obcinać .

Pasmo jest ograniczone, bo na 95% pomiar został źle wykonany. Podane tu 4V/V, lub 12dB to wzmocnienie. Nie jest to dynamika. Ta ostatnia jest stosunkiem maksymalnej do minimalnej wartości na wejściu. Zależy to od konstrukcji samego wzmacniacza, jego napięcia zasilania i wzmocnienia.

Regulowane wzmocnienie można uzyskać np. z VCA810. Stanowi on wzmacniacz o regulowanym napięciowo wzmocnieniu. Jest to bardzo ciekawy i łatwy w aplikacji układ. Zastosowałem go ostatnio w automatycznej pętli kompensującej sygnał niezrównoważenia w wykrywaczu metali IB. Pracuje rewelacyjnie. Wadą jest cena, ale można sobie zamówić próbki. Jeżeli generator nie "trzyma" amplitudy w funkcji częstotliwości można zrobić sobie na VCA810 ARW o imponującej dynamice.

maciej_333 wrote:

To akurat prawda. Tyle, że dołączyć bez elementów aktywnych dwóch obciążeń do jednego źródła bezstratnie też się nie da. Główny problem przy takich kombinacjach równoległych to odbicia. W tym układzie jednak jest raczej tak, jak pisałem wcześniej.

Bezstratnie, a bez odbiciowo, to dwie różne rzeczy. Mylisz kolego pojęcia.

Freddy wrote:

... Bezstratnie, a bez odbiciowo, to dwie różne rzeczy. Mylisz kolego pojęcia.

No właśnie o tym piszę. Odbicia to też straty. W linii długiej sygnały zależą nie tylko od czasu, ale i położenia. Zawsze gdy w danym miejscu linii długiej coś się dzieje (np. jest uszkodzenie - przerwa, zwarcie) dojdzie do odbicia.

bobo wrote:

prosiak_wej wrote:

Może wystarczyłoby zastosować dwa gniazda w płycie. Skoro do jednego ma być podłączany oscyloskop a do drugiego badany układ, to oba gniazda powinny być połączone równolegle. Odpada wówczas stosowanie trójnika jak na pokazanym zdjęciu.

A przy okazji zafundować sobie pojemności montażowe itp. rzeczy.
Pozdrówka

A może by wstawić trójnik taki jaki stosowany jest w instalacjach kablówkowych etc? Choćby ESI 02 N. Niestety ma on straty po prawie 4 dB. Albo odgałęźnik gdzie do pomiaru używać by wyjście Tap? Wybaczcie zboczenie zawodowe

szczodros wrote:

... A może by wstawić trójnik taki jaki stosowany jest w instalacjach kablówkowych etc? Choćby ESI 02 N. Niestety ma on straty po prawie 4 dB. Albo odgałęźnik gdzie do pomiaru używać by wyjście Tap? Wybaczcie zboczenie zawodowe

To są dzielniki mocy. Muszą one być stosownie obciążone na swoich portach. Trójnik BNC zwyczajnie łączy ze sobą wszystko razem. Tutaj nie ma co kombinować z przewodami koncentrycznymi, bo o wiele prościej zrobić to tak, jak pisałem wcześniej.

Panowie,

Dziękuję za kilka cennych rad. Charakterystyka amplitudowa faktycznie była zdjęta oscyloskopem w kilku punktach. Przyznam szczerze, że też mnie zastanawiało to, dlaczego pasmo jest tak kiepskie. Obwiniałem o to pojemności. A gdyby obciążyć wyjście rezystorem 50ohm i wtedy spróbować pomierzyć oscyloskopem? Póki co skazany jestem na tę metodę.

Myslałem o regulacji wzmocnienia, jednak nie mam doświadczenia i nie wiem czy regulacja wzmocnienia jumperkami w jakiś sposób nie wpływałaby na pasmo. Co sugerują koledzy? Chętnie opracuję nowszą wersję kosntrukcji i wrzucę jako nowy projekt. Osobiście nie jestem zadowolony z konstrukcji i chcętnie poprawię kilka błedów w layoucie. Bylbym nawet skłonny dodać regulację wzmocnienia w sposób cyfrowy. Czy zwieranie do masy rezytorków za pomocą mosfetów w celu regulacji wzmocnienia to dobry pomysł dla takiej konstrukcji?

Wadą konstrukcji jest to, że wyjściowy rezystor dospasowujący mógłby mieć większą maksymalną moc. Obecnie to jakieś 250mW. W skrajnym wypadku na wyjściu wzmacniacza może pojawić się 10V wartości skutecznej. W połączeniu z impedancją odbiornika powoduje to straty mocy rzędu 1W na tym rezystorze.

...odniosę się do jednej wypowiedzi i odpowiem: tak, generator funkcyjny jest kiepski Ale do uprawiania hobby w domu wystarczy. W pracy mam trochę lepszy sprzęt i tam zawszę mogę przeprowadzić więcej testów.

Dzięki za zainteresowanie i pozdrawiam.

Robert

r06ert wrote:

... A gdyby obciążyć wyjście rezystorem 50ohm i wtedy spróbować pomierzyć oscyloskopem? Póki co skazany jestem na tę metodę.

Rezystory te musiałyby być dołączone od strony oscyloskopu. Ponadto zwykły rezystor to przy większych częstotliwościach już impedancja.

r06ert wrote:

... Myslałem o regulacji wzmocnienia, jednak nie mam doświadczenia i nie wiem czy regulacja wzmocnienia jumperkami w jakiś sposób nie wpływałaby na pasmo. Co sugerują koledzy? Chętnie opracuję nowszą wersję kosntrukcji i wrzucę jako nowy projekt. Osobiście nie jestem zadowolony z konstrukcji i chcętnie poprawię kilka błedów w layoucie. Bylbym nawet skłonny dodać regulację wzmocnienia w sposób cyfrowy. Czy zwieranie do masy rezytorków za pomocą mosfetów w celu regulacji wzmocnienia to dobry pomysł dla takiej konstrukcji?

Im większe wzmocnienie, tym pasmo niższe. Pewnych rzeczy się nie przeskoczy. Wstawianie jakichś mosfetów wprowadzi zniekształcenia nieliniowe. Przy małych sygnałach tego nie będzie widać, ale przy większych tak. Ponadto na tych mosfetach pojawiałoby się napięcie ujemne. Jak już tak kombinować można wykonać PGA z zastosowaniem jakiegoś DAC'a. Tutaj jest przykład - strona 152.

Może warto się zastanowić, nad VCA810 ? To naprawdę dobry układ. Analog Devices też ma takie układy. Pomyśleć, że jeszcze kilkanaście lat temu takie rzeczy trzeba było robić na mnożnikach liniowych, albo na JFET'cie w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego.

maciej_333, dzięki za cenne wskazówki.Myslalem o tym, aby to była para mosfetów z kanałem P i N. Coś na kształ klucza analogowego CD4066. Nie wiem tylko jak to się sprawi przy wysyokich czestotlwiościach i ogolnie jak mosfety się zachowają.

Mysle równiez że warto by było jakoś zabezpieczyć urządzenie przed ESD i przepięciami. Czy jakieś transile "ultra low capacitance" bedą dobre do tej aplikacji?

Pozdrawiam

Wy tu wszyscy o rezystancji i odbiciach gadu gadu a nikt nie wspomniał o fundamentalnej rzeczy jaką jest pojemność. Oscyloskop wprowadza błędy pomiaru swoją pojemnością im ona wyższa tym większy błąd. To samo się dzieje stosując trójnikjak tez przewody koncentryczne i nie chodzi tu o rezystancje tylko o pojemność. Tu uwaga chodzi o pojęcie zwane ADMITANCJĄ której jednostką jest Simens. Mówimy tu także o fali płaskiej która ulega częściowemu odbiciu zgodnym z wektorem pola dwóch dialektryków z którego zbudowany jest przewód koncentryczny czyli mamy pojemność a nie rezystancję. Rezystancję wyznacza w tym przypadku KONDUKTANCJA i jest ona ściśle powiązana o dziwo z naszym trójnikiem a w zasadzie z jego właściwością jaką jest tłumienie poprzez rozdzielenie sygnału na dwie równe części. Osobną kwestią jest jakość styków takiego łącza czy tez pojemność ścieżek na PCB. Musicie wszyscy pamiętać o jednej zasadzie że im wyższa częstotliwość tym większe straty i tu wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie też niestety pojemność koncentryka. Długość fali określa nam wektor pola odbicia a tym samym dopuszczalną długość koncentyka w celu eliminacji ewentualnego odbicia. Podobną zasadę stosowało się przy liniach fiderowych w innych przypadkach stosuje się tłumiki indukcyjne o przekłądni 1:1:1 na pierścieniu ferytowym.
Kolega pisze że chciałby sterować za pomocą mosfetów wzmocnieniem. Owszem można tak zrobić jednak pogorszy to parametry. Ponieważ wprowadzają one pojemność co wpływało będzie na sygnał wzmacniany.
W zasadzie nie wiem o co się czepiacie kolega zbudował poprawnie wzmacniacz, nawet dopasowanie charakterystyki przenoszenia sygnału oraz tłumienie jest bardzo dobre. Zrozumcie że to nie sprzęt do zegara atomowego bo i jak w przedmowie wspomniał " mam kiepski generator " co w zupełności do zastosowań amatorskich wystarczy. Chodziło o zwiększenie aplitudy sygnału co niestety większość generatorów sygnałowych jest za niska. Można to także osiągnąć w bardziej prosty sposób za pomocą wzmacniaczy tranzystorowych pracujących w klasie AA lub T . Można także zastosować blok wzmacniacza z konwentera satelitarnego które są z reguły mają pasmo do kilkudziesięciu GHz i wzmocnienie przestrajane poprzez VCO. Można także zastosować blok z głowic antenowych które także mają szerokie pasmo. Ja natomiast zastosował bym układ oparty na heterodynie z bloków przestrajania tyle ze bez przemiany częstotliwości. Lub tez posty sposób na transformatorku z rdzeniem walcowym lub toroidalnym o małej wartości nasycenia.

cooltygrysek wrote:

... i tu wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie też niestety pojemność koncentryka ...

Dawno takich bzdur nie czytałem. Pojemność jest stała, rosną jedynie straty w kablu !

cooltygrysek wrote:

wzmocnienie przestrajane poprzez VCO

"Przestrajane wzmocnienie" a co to takiego i w dodatku "przez VCO"?

Od kiedy pojemność przewodu koncentrycznego ma stała wartość niezależnie od długości ?? To proszę wytłumaczyć mi czemu pojemność np sondy oscyloskopowej zmienia się wraz z długością przewodu i czemu przyjęto metr jego długości jako miarę ostateczną?? I proszę nie mówić że mamy sondy strojone bo mówimy tu o stałych wartościach. Co do strat w koncentryku to odpowiada za to admitancja jak tez i reaktancja. Co do VCO to Voltage Controlled Oscillator za pomocą generatora przestrajanego napięciem czyli wzmacniaczem VCO regulować możemy wzmocnienie drugiego wzmacniacza w stopniu sprężenia zwrotnego. Układ ten stosowany jest w blokach głowic TV do przestrajania za pomocą częstotliwości, przemiany częstotliwości jak też do regulacji wzmocnienia. Stosuje się też w blokach układów odchylania.

cooltygrysek wrote:

Od kiedy pojemność przewodu koncentrycznego ma stała wartość niezależnie od długości ??

A kto tak twierdzi? Napisałeś: Musicie wszyscy pamiętać o jednej zasadzie że im wyższa częstotliwość tym większe straty i tu wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie też niestety pojemność koncentryka I dostałeś słuszną odpowiedź:Dawno takich bzdur nie czytałem. A teraz próbujesz się wykręcić.

cooltygrysek wrote:

Co do VCO to Voltage Controlled Oscillator za pomocą generatora przestrajanego napięciem czyli wzmacniaczem VCO regulować możemy wzmocnienie drugiego wzmacniacza w stopniu sprężenia zwrotnego.

Zależy jak rozwiązany układowo jest generator i wiąże się ściśle z utrzymaniem stabilności częstotliwości, a nie zmianami (regulacją) amplitudy.

cooltygrysek wrote:

Układ ten stosowany jest w blokach głowic TV do przestrajania za pomocą częstotliwości, przemiany częstotliwości

Masz rację

cooltygrysek wrote:

do regulacji wzmocnienia

Nieprawda (daj przykład, typowy na regulację amplitudy za pomocą VCO, albo żeby było łatwiej daj przykład na wykorzystanie jakiegokolwiek generatora do regulacji wzmocnienia najlepiej w tych układach o których piszesz.)