Sonda activa - discutie si solutii practice

[VAX]

In foarte multe situatii se impune ca semnalul din circuite sa se preia cu sonde cu capacitate la intrare foarte mica (Ci < 0.5 pF), respectiv cu impedanta mare (Zi > 10 Mohm). De exemplu cand se culege semnalul direct de pe circuite oscilante (filtre LC sau din oscilatoare). Sondele pasive nu satisfac aceste conditii. Se apropie cele cu divizare 1/10 sau mai bine 1/100, dar se pierde mult din semnal.

In consecinta, este nevoie de sonde active, cu amplificator cu FET la intrare, sau chiar cu tub electronic (trioda), care suporta mai bine supratensiunile.

 

Va prezint schemele la mai multe variante de sonde active, derivate dintr-un model de baza.

Schema cea mai complicata si cu performante maxime este ce cu bootstrapare multipla a repetorului de semnal de la intrare, cu JFET.

 

 

Sonda_activa_bootstrap.zip

 

Se observa ca repetorul pe sursa cu JFET (BF256B) este bootstrapat atat in sursa cat si in drena, cu repetorul compus alcatuit din tranzistor SiGe + tranzistor Si. Chiar si tranzistorul cu SiGe este bootstrapat in colector, pentru reducerea capacitatii la intrare (in baza) si cresterea benzii de trecere.

Urmeaza un repetor de semnal simplu, care debiteaza semnalul pe sarcina de 50 ohmi (cablul coaxial care duce semnalul mai departe). Repetorul este de fapt alcatuit din doua repetoare puse in paralel, unul cu tranzistor npn, iar celalalt cu tranzistor pnp compus (darlington cu inversare de polaritate). In acest mod se obtine impedanta redusa la iesire pentru ambele alternante ale semnalului.

Tranzistoarele npn cu Si sunt din seria BFR (90, 91, 96), respectiv BFT95 pentru pranzistorul pnp. Merg foarte bine si BFR95 (capsula TO39 - putere disipata mai mare), pentru tranzistoarele finale (Q4 si Q6). Se pot folosi tranzistoare SMD, chiar mai bune ca BFR-urile, dar sa aiba tensiunea de strapungere Uce0 >15V.

Cand simulati functionarea circuitului cu programul Circuit Maker 6, sa modificati rezistenta sursei de semnal (Rg) si sa vedeti ce efect are asupra benzii de frecventa. Dati diverse valori (1 ohm, 1k, 10k, 100k). Circuite LC cu mai mult de 100k impedanta nu o sa intalniti in practica.

Se mai observa o supracrestere raspunsului (o cocoasa), care apare din cauza capacitatilor interne a tranzistoarelor si a defazajului introdus (banda de frecventa limitata). Asta nu deranjeaza prea tare. Mult mai suparator este faptul ca montajul cu bootstrapare este instabil si are tendinta sa intre in oscilatie. Frecventa oscilatiilor depinde de impedanta sursei de semnal. Tendinta de intrare in oscilatie se observa si la repetoarele simple, dar mai putin pronuntat. Eu am folosit sonde active (fara bootstrapare) legate la circuite oscilante LC (studiul rezonantei - in montaj didactic) si n-am constatat astfel de oscilatii parazite.

Am citit in articole de cercetare (de fizica - de acolo am preluat unele idei) despre circuite cu bootstrapare si nu se pomenea de oscilatii. Dar pe simulare apar. Nici simularile astea nu sunt perfecte, tot proba practica este decisiva.

 

Urmeaza variantele mai simple (de la cel mai simplu, la cel mai complicat). Practic vom "dezbraca" circuitul initial si il lasam in maiou. Dupa asta ii punem camasa, haina, cravata la gat.

Incepem cu varianta in maiou, cu repetorul simplu, fara bootstrapare.

 

 

Sonda_activa_simpla.zip

 

Se observa o reducere dramatica a benzii de frecventa, in special din cauza cresterii capacitatii de la intrarea sondei. La fel ca la sonda complexa, variati rezistenta sursei de semnal (Rg) si vedeti efectul. Oscilatii nu apar. Se vede doar sinusoida de la generatorul de semnal de la intrare. Ceva mascareli (tendinta la oscilatii) apar pe simulare, dar eu n-am incredere 100% in aceste simulari. Daca eliminam toate inductantele (care au rolul sa mareasca impedantele de sarcina la frecventa mare) nu mai apar deloc oscilatii.

 

Sonda_activa_simpla_fara_L.zip

 

 

Pasul urmaror este sa adaugam bootstrapare simpla, numai in sursa JFET-ului.

 

Sonda_activa_bootstrap_BF256_fara_bootstrap_drena.zip

 

 

Urmeaza bootstraparea dubla (sursa + drena).

 

 

Sonda_activa_bootstrap+_fara_SiGe_fara_L.zip

 

Dupa asta simulam circuitul cu SiGe dar fara inductante.

 

 

 

Sonda_activa_bootstrap_SiGe_fara_L.zip

 

 

Se observa imbunatatirea treptata a raspunsului in frecventa pentru rezistente mari ale sursei de semnal.

 

Curentul prin tranzistoare este ceva mai mare (aproximativ 15 mA), pentru a avea Ft si gm mari. Puterile disipate se vad pe schema simulata (se pune cursorul in dreptul componentei respective). La rezistoare puterea disipata sa fie de 3 ori mai mare ca cea indicata de simulare. Consider ca cei care se vor apuca sa construiasca astfel de sonde se pricep la tehnica de UIF (cablaje, decuplari, etc).

 

[gsabac]

Imi place idea topicului si perspectivele analizei acestor tipuri de scheme.

Nu luati postarile mele cu tenta personala sau emotionala, pur si simplu sunt postari tehnice oarecare la acest topic !

 

Schema arata impunatoare, complexa, explicata corect dar are continut de scoala.

Am incercat sa tehnologizez pentru studiu aceasta schema, atit cit se poate. Am adaugat capacitati parazite, diode de protectie,

condensatori pentru decuplari, si am folosit seria de componente THT datorita puterii disipate de 250mW si 300mW la 2 tranzistori.

Deasemenea iesirea prin cablu coaxial trebuie adaptata la ambele capete in impedanta caracteristica.

Am renuntat la diodele LED si tranzistorul SiGe si am pus tranzistori BFR90A THT, probabil vor fi ceva influente la frecventa limita de sus,

Rezultatul este prezentat in schema urmatoare:

Inainte de a trece la evaluare astept cu placere observatii, critici si contre tehnice.

Intr-o prima constatare, asa cum este schema, are puncte statice de functionare perfecte, o banda de frecvente

de citeva sute de MHz si o dinamica de la milivolti la volti, totul in 50 de ohmi la intrare si iesire.

In legatura cu atenuarea, o prima evaluare indica -26dB in toata banda de frecvente, dar cu scadere accentuata

sub 5KHz, determinata de condensatorul de 0,5pF.

 

@gsabac

Editat Septembrie 15, 2017 de gsabac

[VAX]

Diodele de protectie, asa cum ati conceput dvs. circuitul (schema clasica) introduc la intrare o capacitate de minim 2-4 pF (in functie de tipul diodelor), deci bootstraparea amplificatorului de dupa ele este inutila. De asta v-a dat atenuarea atat de mare, de 26 dB. Se poate pune si protectie cu diode, dar cu circuit modificat (cu 4 diode), in care si diodele sunt bootstrapate.

Pentru performanta maxima, la circuite unde semnalul este mic (sub 20Vvv) se poate merge perfect fara protectie. Eventual se inseriaza cu poarta tranzistorului un rezistor (neinductiv) de 1 kohm, care sa limiteze curentul, in caz de ceva.

Am postat pentru persoane calificate, care stiu sa puna condensatoare de decuplare din loc in loc, acolo unde este necesar (in functie si de cablaj). Am conceput si eu un adaos la partea de iesire, pentru adaptarea cu cablul coaxial, dar n-am mai apucat sa postez (erau prea multe scheme). In Circuit Maker exista simbol pentru cablu coaxial, dar nu simuleaza cu el (este element de decor), de asta nu l-am prevazut in schema. Intre iesirea amplificatorului si cablul coaxial trebuie rezistor cam de 47 ohmi, pentru ca insusi amplificatorul are 3-4 ohmi la iesire.

 

Editat Septembrie 15, 2017 de VAX

[VAX]

Pentru cei care nu au instalat Circuit Maker, postez simularile (raspunsul in frecventa) pentru diversele configuratii si diverse valori ale sursei de semnal.

 

Incep cu circuitul fara bootstrapare.

 

 

 

 

Urmeaza circuitul cu bootstrapare doar in sursa JFET-ului.

 

 

 

 

 

Urmeaza circuitul cu bootstrapare dubla (sursa si drena).

 

 

 

 

Se observa o imbunatatire a raspunsului la frecventa pana in 50MHz, pentru Rg mare (100k), dar apare o supracrestere (ca o rezonanta) la frecventa mare. In toate cazurile raspunsul in frecventa se imbunatateste in urma micsorarii rezistentei sursei de semnal.

 

Urmeaza sonda cu circuitul SiGe, cu bootstrapare doar in sursa JFET.

 

 

 

 

La final sunt graficele pentru sonda cu SiGe si bootstrapare dubla.

 

 

 

 

Cel mai bine este sa instalati Circuit Maker 6 (sau 2000) si sa simulati singuri pentru diverse valori ale Rg. Sau sa simulati circuitele respective cu programe mai bune.

 

La frecventa mare (peste 50MHz) impedanta sursei de semnal nu sare de 10k, iar la peste 100MHz poate fi de ordinul kohmi. Doar la frecvente mici (MHz) putem intalni surse de semnal (ma refer la filtrele LC) cu impedante de ordinul 100k.

Eu am folosit sonda simpla, fara bootstrapare, la frecventa de maxim 15MHz (lucrare de laborator - rezonanta in circuitul LC paralel). Nu am observat instabilitate (oscilatii).

O astfel de sonda poate fi utilizata la reglarea circuitelor de RF (in receptoare si eventual emitatoare, aparatura de masura, etc).

Editat Septembrie 15, 2017 de VAX

[gsabac]

Din catalog la 4,5V, diodele de protectie de picoamperi BAW199 au o capacitate de 1,1pF.

Chiar si fara diodele de protectie, atenuarea se situeaza aproape de 16dB, 6dB il da din start adaptarea cablului coaxial.

Desigur o rezistenta putin mai mica de 50 ohmi da rezultate mai bune daca se foloseste la un aparat de masura.

Amplificarea si curba de frecventa fara diode.

Amplificarea si curba de frecventa cu diode.

Buna idea cu bootstraparea diodelor, chiar daca complica schema, trebuie si pentru tensiune negativa si pentru pozitiva.

Cred ca inainte de a continua, ar fi bine sa studiem documentatii de firma, apoi sa adaptam ce se poate prelua,

la o schema realizabila cu componentele disponibile.

Ce am mai vazut, sunt sonde active cu 0,6pF, dar au impedanta de 100K.

 

@gsabac

[VAX]

V-a dat acel raspuns in frecventa, pana la GHz, pentru ca ati simulat cu sursa de semnal cu rezistenta interna de 500 ohmi. In realitate se justifica utilizarea sondei active pentru Rg mult mai mare, chiar de 100k la frecvente sub 50 MHz. Simulati cu Rg mare si vedeti ce efect are bootstraparea si introducerea etajului suplimentar cu repetorul cu SiGe.

O astfel de sonda este indicata pentru reglarea filtrelor LC (in AFI de la receptoare, etc), fara sa introduca dezacord deranjabil. Sau pentru a masura frecventa in circuit la oscilatoare, etc.

[Marele Savant]

Citind aici si pe topicul cu amplificatorul cascod, ma gindesc cu groaza cite sute si sute de constructori amatori au avut realizari remarcabile fara a simula scheme ci lipind concret piesele pe cablaj, folosind scheme consacrate nu didactice si folosind de multe ori un MAVO35 si o sonda detectoare de RF! S-au ansamblat calculatoare din kituri fabricate semilegal si s-au pus in functiune cu ce se gasea prin casa, iar un osciloscop nu era prin casa de obicei!

Discutiile si contradictiile deja se refera la rezultatele obtinute intre diverse simulatoare, iar cind cineva apare cu rezultate practice e luat la misto!

Dar asta e viitorul se pare, internetul, telefonia mobila si China au reusit sa distruga in mare parte creativitatea si interesul pentru electronica!

Este adevarat si ca atunci aveam mult mai mult timp liber si nu existaul multitudinea tentatiilor actuale! dar daca si acuma ne multumim ca privind cu condescendenta de la inaltimea pozitiei didactice detinute cindva, sa descurajam pe oricine incearca sa lipeasca doua piese si sa venim cu exemple de manual, care in mare parte au fost scrise de oameni care la rindul lor nu au realizat in viata lor un montaj real si au frecat-o la rece cuteoria chibritului, este posibil ca sa fim ultima generatie care tine letconul in mina. Si daca vedem citi pensionari avem printre noi si citi nu mai au mult pina la pensie, este posibil sa nu gresesc prea mult!

 

Cele spuse mai sus nu au neaparat legatura cu sondele active (oare citi dintre noi in decenii de activitate le-au folosit?) ci sint niste ginduri care am vrut se le fac publice fara a mai deschide un topic nou si desigur inutil!

[ALEKS]

[...] S-au ansamblat calculatoare din kituri fabricate semilegal si s-au pus in functiune cu ce se gasea prin casa, iar un osciloscop nu era prin casa de obicei! [...]

 

Am asamblat microcalculatorul COBRA cu placa luata (pardon, sustrasa) de la ITCI BV, integrate K155 si CDB-uri, unele recuperate, altele de provenienta indoielnica. ROM-urile mi le-a programat un binevoitor cu programator. Inainte de programare le-am sters la lampa UV facuta dintr-un bec de stalp la care am spart sticla. A mers si fara osciloscop...

 

PS: Am citit cu placere discutiile din ambele topicuri, si acesta si cel cu montajul cascoda. Nu am intrat in discutie; consider ca mai am de invatat multe pe subiectul SiGe si RF in general.

 

A.

Editat Septembrie 15, 2017 de ALEKS

[Marele Savant]

Nici eu nu mi-am permis sa comentez, discutia este in sfere asa de inalte fata de banalul etaj cascod cunoscut si folosit de mine in ultimile 4 decenii, incit mi-a lipsit curajul necesar!

[VAX]

@Marele Savant

 

Nu este vorba numai de simulare pe PC, ci si de experienta concreta in laborator. Eu am construit si folosit sonda activa obisnuita, fara bootstrapare, dar la frecvente mai joase (MHz) si cu tranzistoare obisnuite (BF-uri), nu cu BFR-uri, care au Ft mult mai mare si care pot sa dea usor autooscilatii la frecventa mare. Am construit si sonde cu bootstrapare, cu BC-uri, cu care am lucrat la freventa sub 1 MHz (tot in lucrari de laborator, la Fizica Solidului). Am experimentat si repetorul de la iesire cu doua etaje (cu pnp si npn) in clasa A puse in paralel. Circuitul obisnit, cu un singur tranzistor npn, nu functiona bine la semnal mare si pe sarcini mici. Alternanta pozitiva o scotea corect, dat la alternanta negativa se comporta ca un AO cu SR scazut.

Schemele prezentate sunt o extensie la ce am lucrat. Cine are nevoie de sonde active, poate sa preia ideile si sa le dezvolte.

 

In fizica experimentala se apeleaza des la bootstrapare (la amplificatoare pentru fotodiode, etc) si chiar la circuite cu capacitate de intrare negativa.

Din pacate schemele de acest tip sunt in articole de cercetare din reviste la care nu are acces toata lumea (nu sunt puse pe net, decat exceptii), cum ar fi Review of Scientific Instruments.

 

 

Exemple:

 

http://www.sxu.edu.cn/yjjg/ioe/lab11/articles/26.pdf

https://www.researchgate.net/publication/273296092_A_Low-Noise_Large-Dynamic-Range-Enhanced_Amplifier_Based_on_JFET_Buffering_Input_and_JFET_Bootstrap_Structure

http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/092/jresv92n6p383_a1b.pdf

http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a201129.pdf

https://ir.library.oregonstate.edu/xmlui/bitstream/handle/1957/37380/YanKai-tuanKelvin1992.pdf

 

@gsabac

 

Pentru circuitul de protectie se pot folosi diode punctiforme, care au capacitatea de proximativ 0,2 pF. Am sa scanez o pagina cu o schema de protectie cu bootstraparea diodelor, din anii '60. Foloseau diode punctiforme cu Si, dar merg la fel de bine si cele cu Ge.

[gauss]

Rusii au niste diode cu germaniu ... gen D 17 , si altele . Mai putin cunoscute si circulate ... Eu am facut pe vremuri sonde pentru vobler , micro - milivoltmetre si alte cele . Ma rog , e mult de tatonat ... si de probat . Mecanica e de baza ... la vremea respectiva nu existau PC - uri ... nici macar microcalc . cu Z80 . Totusi am facut ce aveam nevoie ... mai bune ca de fabrica . Incl . sonda activa ... cu BFT 66 , TEC - urile epocii si alte nazdravanii , coaxiale cu teflon ( rondele ) etc . Nu hobby ... ci pentru pravalie . In fine ...

Editat Septembrie 16, 2017 de gauss

[gsabac]

Sonda Tektronix P6202

Modul de realizare.

Sonda este cotata la 1,5-2pF capacitatea de intrare si 1 Mohm, dar are un attenuator 10:1 de capacitate mai mica,

care este desenat pe schema.

 

@gsabac

[gsabac]

Citind aici si pe topicul cu amplificatorul cascod, ma gindesc cu groaza cite sute si sute de constructori amatori au avut realizari remarcabile fara a simula scheme ci lipind concret piesele pe cablaj, folosind scheme consacrate nu didactice si folosind de multe ori un MAVO35 si o sonda detectoare de RF! S-au ansamblat calculatoare din kituri fabricate semilegal si s-au pus in functiune cu ce se gasea prin casa, iar un osciloscop nu era prin casa de obicei!

Discutiile si contradictiile deja se refera la rezultatele obtinute intre diverse simulatoare, iar cind cineva apare cu rezultate practice e luat la misto!

Dar asta e viitorul se pare, internetul, telefonia mobila si China au reusit sa distruga in mare parte creativitatea si interesul pentru electronica!

Este adevarat si ca atunci aveam mult mai mult timp liber si nu existaul multitudinea tentatiilor actuale! dar daca si acuma ne multumim ca privind cu condescendenta de la inaltimea pozitiei didactice detinute cindva, sa descurajam pe oricine incearca sa lipeasca doua piese si sa venim cu exemple de manual, care in mare parte au fost scrise de oameni care la rindul lor nu au realizat in viata lor un montaj real si au frecat-o la rece cuteoria chibritului, este posibil ca sa fim ultima generatie care tine letconul in mina. Si daca vedem citi pensionari avem printre noi si citi nu mai au mult pina la pensie, este posibil sa nu gresesc prea mult!

 

Cele spuse mai sus nu au neaparat legatura cu sondele active (oare citi dintre noi in decenii de activitate le-au folosit?) ci sint niste ginduri care am vrut se le fac publice fara a mai deschide un topic nou si desigur inutil!

Ne aducem aminte si noi mosuletii de ce am facut odata si ne intoarcem mereu spre trecut. Pe vremea noastra se faceau

bani buni cu piese lipite cu letconul si erau in voga. Cind ni se spunea ca viitorul va fi al comertului, distractiilor,

turismului si comunicatiilor interumane credeam ca sunt prostii, ca si televizorul ca o carte atirnat ca un tablou pe perete,

sau videointerfonul, care astazi este un banal telefon.

De fapt si generatiile de azi peste 10-20 de ani vor fi in aceeasi situatie.

Postez o noua schema de pe vremea mea, desigur doar de "amuzament", ca sa ne distram pe forum

si ca sa mai omorim niste timp.

Este o schema completa cu alimentare de la retea.

Am remarcat ca nici sonda Tektronix nici cea Philips nu au protectii la supratensiune, deci se poate ca in schema

prezentata de @VAX.

 

@gsabac

Editat Septembrie 16, 2017 de gsabac

[Vizitator]

Mie imi plac schemele cu dioda EA52, montura mecanica e mai greu de facut, dar prefer sa dau la pila decat sa-mi bat capul cu boostrapari.

[gauss]

Anumite osciloscoape rusesti au avut sonde active cu nuvistor ... am sa caut schemele . Am " dezvoltat " una pe vremuri , adaugand o cascada de 3 BFR - uri , clasic , cu emitor comun , pentru un milivoltmetru de RF ...