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为什么将放大器装在示波器的探头尖端 放大器是如何工作的

时间:2020-08-05    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
示波器探头将示波器的输入连接到要测量的电压节点。传统上,常用的探头分为三种类型:高阻抗无源探头、低容抗传输线探头和有源探头。 

较为常见的探头类型是高阻抗无源探头。图1是其简化示意图。该探头使用经补偿的分压器(电阻和电容匹配的分压器)以驱动探头线缆和示波器输入电容。这些探头有500MHz额定带宽,但你应考虑由输入电容所带来的限制。

 
图1:采用电容和电阻匹配的分压器的高阻无源探头

示波器的输入电容可能在15~25pF之间。同轴电缆每英尺的电容约在10pF~30pF。所以其总电容可能约为80pF。因此,简单地用屏蔽线缆将示波器连接到DUT(被测设备)将会把此电容加载在测量电路。在10MHz时,阻抗约为200Ω,这就可能显著降低你试图测量的电压幅值。 

我们可通过使用电容性补偿分压器将被测信号分压10倍的方式来增加此输入阻抗。这种补偿分压器将使探头针尖具有最小9pF的电容、带来10倍衰减,使探头负载阻抗增加了约10倍。增加探头衰减倍数,可进一步降低输入电容,但这样做将降低进入示波器的信号幅值,并使小信号测量变得困难或不可能。在实践中,10倍衰减在信号幅度和加载阻抗之间表现出良好平衡。 

但在更高频率,即使是这样的低电容探头也还是太大了。在500MHz,9pF探头电容的等效阻值约35Ω,除最低阻抗电路外,将对所有被测电压产生影响。 

若将同轴线缆换为传输线,则可大幅降低输入电容。如果示波器的终端电阻为50Ω,则电缆探头端的阻抗将总是50Ω,与频率无关。可使用分压器加大这一非常低的负载阻抗;一个450Ω串联电阻将把被测电压幅值缩小10倍,并得到500Ω相对恒定的负载阻抗。采用带终端电阻的低电容或传输线探头(图2)。

 
图2:传输线探头大幅降低输入电容,但它也降低了输入电阻,从而降低了整体阻抗

端接传输线探头的输入电容相当低,典型值最高零点几个pF。这种探头的限制因素是低输入电阻。对10倍衰减探头来说,500Ω的输入电阻,也会对被测电路造成很大影响。 

这就使我们自然想到有源探头(图3)。有源探头采用补偿分压器驱动放大器。该放大器的缓冲输出再驱动以其特性阻抗端接(terminated)的同轴电缆,就像传输线探头。该放大器还将探头与电缆的电容性负载和示波器的输入电路隔离开来。

 
图3:50Ω带缓冲输入驱动的传输线有源探头

有源探头仍需要低输入电容,在探头尖端的小几何形状内,可以容易做到这点。可以设计出输入电容约为4pF的高阻抗缓冲放大器。约10倍衰减的补偿分压器将进一步降低输入电容以及允许更大的输入电压摆幅,其输入电容约为0.4pF。在现实中,放大器需要输入保护装置,此举将加大探头尖端金属的杂散电容,所以0.5pF到4pF的输入电容是比较现实的。 

图4显示出上述讨论的三种探头其作为频率函数的输入阻抗(根据特定的输入电阻和电容)。在无源探头500MHz的频率上限,其输入阻抗仅为34Ω。在相同频率:传输线探头的输入阻抗为359Ω;有源探头的为530Ω。该容性阻抗将会加载到被测信号上。

 
图4:与被动和传输线探头比,有源探头可在最宽的带宽内使输入阻抗最大化

探头影响的案例 

图5是一个25Ω系统(50Ω源和负载阻抗)的阶跃波形(step waveform)示例。即使在这样的低阻抗环境下,无源探头容性负载的影响也显而易见。

 
图5:比较无源探头(PP008)和有源探头(ZS4000)的电容性负载的影响

图5中,在无源探头接触被测信号前,输入阶跃的上升时间约为500ps。当PP008(输入C=9.5pF)触测阶跃被测信号时,上升时间增加至1.8ns,且在前沿造成显著失真。使用ZS4000有源探头(输入C=0.6pF)时,则没对被测信号造成显着失真。 

低电容设计的关键是把所有探头尖端周围的导体做得小巧。这也与应使探头尖端的体积尽可能小巧的要求一致,只有这样,探头才能“游刃”于我们日渐拥挤的电路板。 

探头尖端的电容性负载除加载被测电压外,还有另一个影响。单端探头需要一个接地连接。该地线有与其长度相关的电感。该电感,与探头的输入电容相组合,将在LC电路(图6)的共振频率上引致振铃效应。

 
图6:示波器的地线增加了被测电路的电感

接地线电感可使用大拇指规则估算,其值约为20nH/in,进而算出谐振频率。该电感的谐振频率(fr)为:

为使测量不失真,谐振频率应比拟测量信号的频率高得多。可通过使用更短的地线或使用更低输入电容的探头或两者兼而用之的方式来提高共振频率。 

作为例子,我们可使用PP008探头(输入C=9.5Pf)、6英寸地线(~120nH)进行陡变阶梯电压的测量。在这些参数下,其振铃频率约为150MHz,可容易地在所测波形上看到。若将同样的接地线与输入电容仅为0.6pF的ZS4000探头一起使用,这时其共振频率约为600MHz且平复要快得多,如图7中所示。

 
图7. 对比由接地线引入、输入电容的不同值对振铃产生的影响。 
输入电容更低的有源探头(ZS4000),不仅回复要快得多,且具有更高频率。

更高带宽的探头配有短的、定长接地导线。用最短的地线配以上述介绍的有源探头使你在测量阶跃电压时几乎没有振铃现象或上升时间失真。使用中的重要注意事项是:不要试图延长这些地线,因其会增加电感和电容并将显著影响探头性能。 

再回到我们开始的问题:“为什么有源探头的放大器做在探头尖端,而不在示波器内?”答案是:示波器厂家通过将放大器做在探头尖端附近,可在探头针尖内采用补偿的分压器以增加探头的输入阻抗和输入电压范围。同时,有源探头可以缓冲连接电缆对探头的影响。不使用放大器,使用传输线探头,你仍可得到类似结果,但你必须要能忍受低输入阻抗带来的影响。
放大器作用如何?

    放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置,由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、达、电视、自动控制等各种装置中。

 

    高频功率放大器用于发射机的末级,作用是将高频已调波信号进行功率放大,以满足发送功率的要求,然后经过天线将其辐射到空间;

    保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平,并且不干扰相邻信道的通信。

    高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。

    按其工作频带的窄划分为窄带高频功率放大器和宽频功率放大器两种,窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路,故又称为谓谐功率放器或谐振功率放大器:

    宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他完带匹配电路,因此又称为非调谐功率放大器。

    高频功率放大器是一种能量转换器件,它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出在“低频电子线路”课程中已知,放大器可以按照电流导通角的不同,将其分为甲、乙、丙三类工作状态。

    甲类放大器电流的流通角为360,适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于1800;丙类放大器电流的流通角则小于1800。

    乙类和丙类都适用于大功率工作丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中zui高者。高频功率放大器大多工作于丙类。

    但丙类放大器的电流波形失真太大,因而不能用于低频功率放大,只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力,回路电流与电压仍然极近于正弦波形,失真很小。

    放大器主要用于检測信噪比很低的微弱信号。即使有用的信号被淹没在噪声信号里面,即使噪声信号比有用的信号大很多,只要知道有用的信号的频率值,就能确地测量出这个信号的幅值。

    放大器增加信号幅度或功率的装置,它是自动化技术工具中处理信号的重要元件:

    放大器的放大作用是输入信号控制能源来实现的,放大所需功耗由能源提供。对于线性放大器,输出就是输入信号的复现和增最:对于线性放大器,输出则与输入信号成一定函数关系。

    放大器按所处理信号物理量分为机械放大、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大等,其中用得zi广泛的是电子放大器。着射流技术(见射流元件)的推广,液动或气动放大器的应用也逐渐增多。

    电子放大器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器国体放大番和磁放大器,其中文以晶体管放大器应动化仪表中晶体管放大器常用于信号的电压放和电流放大,主要形式有?

    端放大和推放还常用于阻抗匹配、隔离、电流一电压转换、电荷-电压转换如电荷放大器)以及利用放大器实现输出与输入之间的一定函数关系(如运算放大器)

    放大器是增加信号幅度或功率的装置,放大器是自动化技术工具中处理信号的重要元件。

    放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的,放大所需功耗由能源提供。对于线性放大器,输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器,输出则与输入信号成一定函数关系。

    放大器按所处理信号物理量分为机械放大器机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等。

标签: 放大器
放大器 放大器作用如何?_放大器
高压放大器的优势如何?

    高压线性放大器常应用在物理领域中,如压电传感器、光电调制器、液晶显示器等。

    日常实验室测试为了达到要求的频率范围,晶体端电压必须达到1KVpp,频率在DC—100KHZ,非线性误差小于0.1%,直流功率30W。

    高压放大器驱动超声换能器ATA-2021H最大电压可输出200Vpp,覆盖带宽为DC-1MHz,可以驱动高压型负载。

    电压增益数控可调,一键保存设置,提供了方便简洁的操作选择,可与主流的信号发生器配套使用,实现信号的完美放大。

    高压放大器可用于驱动电容性、电感性负载,一般情况下,如果用交流电源驱动含有电容器或电感线圈的负载,会导致来自负载一侧的逆向电流。

    在这样的情况下,用通常的电源的话可能无法驱动。但是如果采用高压放大器来驱动,需要的高电压、大电流也都可以实现。

    所以,对于压电元件和电感线圈那样的电容性·电感性负载,也能够稳定地运行(输出)。

    高压放大器优势:

    宽频带·高速·高电压、双极性、大功率。

    ATA1000的频带宽度为DC24MHz、上升速率为2000V/s,即使对于上升迅速的脉冲信号和复杂波形信号也能够完美实现。

    ATA2000的频带宽度为DC1MHz、最大输出电压为1600Vp-p,即使对于有高压需求的压电元件和显示元器件,也能够富富有余地进行驱动。

    ATA3000的功率为810W,提供大功率的电磁场线圈驱动,同时所有的都能从直流开始输出的,所以能够轻松实现信号发生器提供的任意波形的放大。

    输入接口:标准BNC接口;

    输入电阻50Ω、5kΩ两档可选,完美匹配高低内阻信号源。

    输出为香蕉插座,最大输出电压200Vp-p(±100V),输出电流500mA。

    监控输出接口:1/100Monitor:此端口电压为输出端口的1/100,监测口为BNC接头,可以直接连接到示波器进行输出电压的实时监测。

    高压放大器的快速响应特性不仅体现在带宽和压摆率,也与最大输出电流、电压、负载的电容特性等密切相关。

    选择功率放大器的主要技术指标有:电压、电流、功率、带宽、压摆率、阻抗、负载等。

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