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為什么將放大器裝在示波器的探頭尖端 放大器是如何工作的

時間:2020-08-05    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
示波器探頭將示波器的輸入連接到要測量的電壓節(jié)點。傳統(tǒng)上,常用的探頭分為三種類型:高阻抗無源探頭、低容抗傳輸線探頭和有源探頭。 

較為常見的探頭類型是高阻抗無源探頭。圖1是其簡化示意圖。該探頭使用經(jīng)補(bǔ)償?shù)姆謮浩?電阻和電容匹配的分壓器)以驅(qū)動探頭線纜和示波器輸入電容。這些探頭有500MHz額定帶寬,但你應(yīng)考慮由輸入電容所帶來的限制。

 
圖1:采用電容和電阻匹配的分壓器的高阻無源探頭

示波器的輸入電容可能在15~25pF之間。同軸電纜每英尺的電容約在10pF~30pF。所以其總電容可能約為80pF。因此,簡單地用屏蔽線纜將示波器連接到DUT(被測設(shè)備)將會把此電容加載在測量電路。在10MHz時,阻抗約為200Ω,這就可能顯著降低你試圖測量的電壓幅值。 

我們可通過使用電容性補(bǔ)償分壓器將被測信號分壓10倍的方式來增加此輸入阻抗。這種補(bǔ)償分壓器將使探頭針尖具有最小9pF的電容、帶來10倍衰減,使探頭負(fù)載阻抗增加了約10倍。增加探頭衰減倍數(shù),可進(jìn)一步降低輸入電容,但這樣做將降低進(jìn)入示波器的信號幅值,并使小信號測量變得困難或不可能。在實踐中,10倍衰減在信號幅度和加載阻抗之間表現(xiàn)出良好平衡。 

但在更高頻率,即使是這樣的低電容探頭也還是太大了。在500MHz,9pF探頭電容的等效阻值約35Ω,除最低阻抗電路外,將對所有被測電壓產(chǎn)生影響。 

若將同軸線纜換為傳輸線,則可大幅降低輸入電容。如果示波器的終端電阻為50Ω,則電纜探頭端的阻抗將總是50Ω,與頻率無關(guān)。可使用分壓器加大這一非常低的負(fù)載阻抗;一個450Ω串聯(lián)電阻將把被測電壓幅值縮小10倍,并得到500Ω相對恒定的負(fù)載阻抗。采用帶終端電阻的低電容或傳輸線探頭(圖2)。

 
圖2:傳輸線探頭大幅降低輸入電容,但它也降低了輸入電阻,從而降低了整體阻抗

端接傳輸線探頭的輸入電容相當(dāng)?shù)?,典型值最高零點幾個pF。這種探頭的限制因素是低輸入電阻。對10倍衰減探頭來說,500Ω的輸入電阻,也會對被測電路造成很大影響。 

這就使我們自然想到有源探頭(圖3)。有源探頭采用補(bǔ)償分壓器驅(qū)動放大器。該放大器的緩沖輸出再驅(qū)動以其特性阻抗端接(terminated)的同軸電纜,就像傳輸線探頭。該放大器還將探頭與電纜的電容性負(fù)載和示波器的輸入電路隔離開來。

 
圖3:50Ω帶緩沖輸入驅(qū)動的傳輸線有源探頭

有源探頭仍需要低輸入電容,在探頭尖端的小幾何形狀內(nèi),可以容易做到這點??梢栽O(shè)計出輸入電容約為4pF的高阻抗緩沖放大器。約10倍衰減的補(bǔ)償分壓器將進(jìn)一步降低輸入電容以及允許更大的輸入電壓擺幅,其輸入電容約為0.4pF。在現(xiàn)實中,放大器需要輸入保護(hù)裝置,此舉將加大探頭尖端金屬的雜散電容,所以0.5pF到4pF的輸入電容是比較現(xiàn)實的。 

圖4顯示出上述討論的三種探頭其作為頻率函數(shù)的輸入阻抗(根據(jù)特定的輸入電阻和電容)。在無源探頭500MHz的頻率上限,其輸入阻抗僅為34Ω。在相同頻率:傳輸線探頭的輸入阻抗為359Ω;有源探頭的為530Ω。該容性阻抗將會加載到被測信號上。

 
圖4:與被動和傳輸線探頭比,有源探頭可在最寬的帶寬內(nèi)使輸入阻抗最大化

探頭影響的案例 

圖5是一個25Ω系統(tǒng)(50Ω源和負(fù)載阻抗)的階躍波形(step waveform)示例。即使在這樣的低阻抗環(huán)境下,無源探頭容性負(fù)載的影響也顯而易見。

 
圖5:比較無源探頭(PP008)和有源探頭(ZS4000)的電容性負(fù)載的影響

圖5中,在無源探頭接觸被測信號前,輸入階躍的上升時間約為500ps。當(dāng)PP008(輸入C=9.5pF)觸測階躍被測信號時,上升時間增加至1.8ns,且在前沿造成顯著失真。使用ZS4000有源探頭(輸入C=0.6pF)時,則沒對被測信號造成顯著失真。 

低電容設(shè)計的關(guān)鍵是把所有探頭尖端周圍的導(dǎo)體做得小巧。這也與應(yīng)使探頭尖端的體積盡可能小巧的要求一致,只有這樣,探頭才能“游刃”于我們?nèi)諠u擁擠的電路板。 

探頭尖端的電容性負(fù)載除加載被測電壓外,還有另一個影響。單端探頭需要一個接地連接。該地線有與其長度相關(guān)的電感。該電感,與探頭的輸入電容相組合,將在LC電路(圖6)的共振頻率上引致振鈴效應(yīng)。

 
圖6:示波器的地線增加了被測電路的電感

接地線電感可使用大拇指規(guī)則估算,其值約為20nH/in,進(jìn)而算出諧振頻率。該電感的諧振頻率(fr)為:

為使測量不失真,諧振頻率應(yīng)比擬測量信號的頻率高得多??赏ㄟ^使用更短的地線或使用更低輸入電容的探頭或兩者兼而用之的方式來提高共振頻率。 

作為例子,我們可使用PP008探頭(輸入C=9.5Pf)、6英寸地線(~120nH)進(jìn)行陡變階梯電壓的測量。在這些參數(shù)下,其振鈴頻率約為150MHz,可容易地在所測波形上看到。若將同樣的接地線與輸入電容僅為0.6pF的ZS4000探頭一起使用,這時其共振頻率約為600MHz且平復(fù)要快得多,如圖7中所示。

 
圖7. 對比由接地線引入、輸入電容的不同值對振鈴產(chǎn)生的影響。 
輸入電容更低的有源探頭(ZS4000),不僅回復(fù)要快得多,且具有更高頻率。

更高帶寬的探頭配有短的、定長接地導(dǎo)線。用最短的地線配以上述介紹的有源探頭使你在測量階躍電壓時幾乎沒有振鈴現(xiàn)象或上升時間失真。使用中的重要注意事項是:不要試圖延長這些地線,因其會增加電感和電容并將顯著影響探頭性能。 

再回到我們開始的問題:“為什么有源探頭的放大器做在探頭尖端,而不在示波器內(nèi)?”答案是:示波器廠家通過將放大器做在探頭尖端附近,可在探頭針尖內(nèi)采用補(bǔ)償?shù)姆謮浩饕栽黾犹筋^的輸入阻抗和輸入電壓范圍。同時,有源探頭可以緩沖連接電纜對探頭的影響。不使用放大器,使用傳輸線探頭,你仍可得到類似結(jié)果,但你必須要能忍受低輸入阻抗帶來的影響。
放大器作用如何?

    放大器是能把輸入訊號的電壓或功率放大的裝置,由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、達(dá)、電視、自動控制等各種裝置中。

 

    高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級,作用是將高頻已調(diào)波信號進(jìn)行功率放大,以滿足發(fā)送功率的要求,然后經(jīng)過天線將其輻射到空間;

    保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿意的信號電平,并且不干擾相鄰信道的通信。

    高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。

    按其工作頻帶的窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬頻功率放大器兩種,窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路,故又稱為謂諧功率放器或諧振功率放大器:

    寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他完帶匹配電路,因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。

    高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件,它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出在“低頻電子線路”課程中已知,放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同,將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。

    甲類放大器電流的流通角為360,適用于小信號低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于1800;丙類放大器電流的流通角則小于1800。

    乙類和丙類都適用于大功率工作丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中zui高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。

    但丙類放大器的電流波形失真太大,因而不能用于低頻功率放大,只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力,回路電流與電壓仍然極近于正弦波形,失真很小。

    放大器主要用于檢測信噪比很低的微弱信號。即使有用的信號被淹沒在噪聲信號里面,即使噪聲信號比有用的信號大很多,只要知道有用的信號的頻率值,就能確地測量出這個信號的幅值。

    放大器增加信號幅度或功率的裝置,它是自動化技術(shù)工具中處理信號的重要元件:

    放大器的放大作用是輸入信號控制能源來實現(xiàn)的,放大所需功耗由能源提供。對于線性放大器,輸出就是輸入信號的復(fù)現(xiàn)和增最:對于線性放大器,輸出則與輸入信號成一定函數(shù)關(guān)系。

    放大器按所處理信號物理量分為機(jī)械放大、機(jī)電放大器、電子放大器、液動放大器和氣動放大等,其中用得zi廣泛的是電子放大器。著射流技術(shù)(見射流元件)的推廣,液動或氣動放大器的應(yīng)用也逐漸增多。

    電子放大器又按所用有源器件分為真空管放大器、晶體管放大器國體放大番和磁放大器,其中文以晶體管放大器應(yīng)動化儀表中晶體管放大器常用于信號的電壓放和電流放大,主要形式有?

    端放大和推放還常用于阻抗匹配、隔離、電流一電壓轉(zhuǎn)換、電荷-電壓轉(zhuǎn)換如電荷放大器)以及利用放大器實現(xiàn)輸出與輸入之間的一定函數(shù)關(guān)系(如運算放大器)

    放大器是增加信號幅度或功率的裝置,放大器是自動化技術(shù)工具中處理信號的重要元件。

    放大器的放大作用是用輸入信號控制能源來實現(xiàn)的,放大所需功耗由能源提供。對于線性放大器,輸出就是輸入信號的復(fù)現(xiàn)和增強(qiáng)。對于非線性放大器,輸出則與輸入信號成一定函數(shù)關(guān)系。

    放大器按所處理信號物理量分為機(jī)械放大器機(jī)電放大器、電子放大器、液動放大器和氣動放大器等。

標(biāo)簽: 放大器
放大器 放大器作用如何?_放大器
高壓放大器的優(yōu)勢如何?

    高壓線性放大器常應(yīng)用在物理領(lǐng)域中,如壓電傳感器、光電調(diào)制器、液晶顯示器等。

    日常實驗室測試為了達(dá)到要求的頻率范圍,晶體端電壓必須達(dá)到1KVpp,頻率在DC—100KHZ,非線性誤差小于0.1%,直流功率30W。

    高壓放大器驅(qū)動超聲換能器ATA-2021H最大電壓可輸出200Vpp,覆蓋帶寬為DC-1MHz,可以驅(qū)動高壓型負(fù)載。

    電壓增益數(shù)控可調(diào),一鍵保存設(shè)置,提供了方便簡潔的操作選擇,可與主流的信號發(fā)生器配套使用,實現(xiàn)信號的完美放大。

    高壓放大器可用于驅(qū)動電容性、電感性負(fù)載,一般情況下,如果用交流電源驅(qū)動含有電容器或電感線圈的負(fù)載,會導(dǎo)致來自負(fù)載一側(cè)的逆向電流。

    在這樣的情況下,用通常的電源的話可能無法驅(qū)動。但是如果采用高壓放大器來驅(qū)動,需要的高電壓、大電流也都可以實現(xiàn)。

    所以,對于壓電元件和電感線圈那樣的電容性·電感性負(fù)載,也能夠穩(wěn)定地運行(輸出)。

    高壓放大器優(yōu)勢:

    寬頻帶·高速·高電壓、雙極性、大功率。

    ATA1000的頻帶寬度為DC24MHz、上升速率為2000V/s,即使對于上升迅速的脈沖信號和復(fù)雜波形信號也能夠完美實現(xiàn)。

    ATA2000的頻帶寬度為DC1MHz、最大輸出電壓為1600Vp-p,即使對于有高壓需求的壓電元件和顯示元器件,也能夠富富有余地進(jìn)行驅(qū)動。

    ATA3000的功率為810W,提供大功率的電磁場線圈驅(qū)動,同時所有的都能從直流開始輸出的,所以能夠輕松實現(xiàn)信號發(fā)生器提供的任意波形的放大。

    輸入接口:標(biāo)準(zhǔn)BNC接口;

    輸入電阻50Ω、5kΩ兩檔可選,完美匹配高低內(nèi)阻信號源。

    輸出為香蕉插座,最大輸出電壓200Vp-p(±100V),輸出電流500mA。

    監(jiān)控輸出接口:1/100Monitor:此端口電壓為輸出端口的1/100,監(jiān)測口為BNC接頭,可以直接連接到示波器進(jìn)行輸出電壓的實時監(jiān)測。

    高壓放大器的快速響應(yīng)特性不僅體現(xiàn)在帶寬和壓擺率,也與最大輸出電流、電壓、負(fù)載的電容特性等密切相關(guān)。

    選擇功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有:電壓、電流、功率、帶寬、壓擺率、阻抗、負(fù)載等。

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