审阅要求：DIY DC至50MHz差分示波器探头

考虑到适当的差分探头的成本，我决定自己做。要求是：

• DC至50 MHz 3db带宽
• 几种可选的输入电压范围，从3V pk-pk至300​​ V pk-pk
• 优于1/500共模抑制比
• “足够好”的噪声系数
• 可从我当地的电子商店中选择的零件数量有限来实现
• 布局可行，适用于带有手工焊接组件的自蚀刻两面PCB。

我在设计高速模拟电路方面经验不足，因此很想收到有关概念设计的反馈，包括批评。关于实现的特定方面，我还有一些问题：

• 考虑到所传送的信号几乎达不到50 MHz且电缆长度不足1 m，我可以在没有阻抗匹配同轴电缆两端的情况下走开吗？我宁愿只将示波器端接到50欧姆（并直接驱动探头端的同轴电缆），因为在探头端使用50欧姆的串联电阻会将示波器看到的电压除以2。

• BJT电流源是否在足够高的幅度（在JFET栅极处为3 V pk-pk）50 MHz信号的情况下足够快地吸收恒定的5 mA电流？

• 在每个JFET的源极和对应的BJT的集电极之间增加一个电感器，是确保在较高频率下恒定的JFET漏极电流的合理方法，还是这种电路不可避免地会振荡？

• 我的PCB布局有多理智，是否有明显的缺点？你将做点什么不同的？

为了支持各种电压范围，我的初步设计依靠插入3针接头连接器（J1）的外部无源衰减器。衰减器将具有微调电阻器和电容器，以在整个频率范围内匹配反相和同相输入。下图显示了一个1:10衰减器（大约+/- 30 V范围）。

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

放大器前端通过JFET源极跟随器实现，以便为衰减器级提供高阻抗。选择该拓扑是为了规避可用运算放大器的相对较高的输入偏置电流（最坏情况为2μA）。双极晶体管电流源可确保在整个输入电压范围内流向JFET的电流相对稳定。

基于运放的差分放大器还负责驱动1 m的RG-174 50欧姆同轴电缆。尽管运算放大器被宣传为能够直接驱动同轴电缆，但终端电阻的占位面积很小。

电源由9 V电池供电，运算放大器的另一半用作虚拟接地源。红色LED指示灯具有双重功能，即指示探针已打开，并为电流源提供约1.8 V的偏置电压。

组件：

• 低泄漏（<5nA），2pF输入保护二极管：BAV199
• 场效应管：SST310
• BJT：BC847b
• 70MHz GBW，1kV /μs双通道运算放大器：LT1364
• 差动放大器部分使用4个精密电阻（0.1％，2.2kΩ）。

实际建造东西之后

事后我终于可以回答我自己的问题了。我已经构建了问题中提到的电路，并使用了1:10衰减器。

• 我能在阻抗不匹配同轴电缆两端的情况下走开吗？

  是的，但是信号完整性确实会受到影响。蓝色迹线是〜6 ns的上升和下降时间方波（由基于74HC14的张弛振荡器生成），用标准的1:10无源探头测量。在前四个屏幕截图中，黄色迹线是DIY差分探头的输出，如图所示，将其乘以示波器的倍数乘以10。最后一个屏幕截图是SMA连接器正由另一个1:10无源探头直接探测。示波器是50 MHz Rigol DS1052E，具有1MΩ15pF输入。

  

  可以看出，两端均端可以产生干净的信号，而不会产生过冲，但是带宽只有大约13 MHz。通过避免给运算放大器加负载来实现最快的上升时间，这表明低负载阻抗会严重降低运算放大器的速度。

• BJT电流源是否足够快以吸收恒定的5 mA ...

  是。当涉及频率响应时，JFET缓冲器及其偏置电流源表现完美。带宽受到运算放大器选择的瓶颈。

• 在每个JFET的源极和相应的BJT的集电极之间增加一个电感器是确保JFET漏极电流恒定的合理方法吗...

  没必要，所以我没有尝试。不知道。

• 我的PCB布局有多理智...

  我没有关于布局本身的问题，但是我绝对应该在设计电路板时考虑到安装到屏蔽盒的情况。热收缩绝对不会发生，非常高的阻抗电路很容易受到各种干扰。即使将我的手放在桌子下面，探头也会通过电容耦合影响测量。

我的设计无法预见的缺陷是无法校正输出失调电压。事实证明，JFET是独一无二的雪花：即使在同一批次的晶体管中，阈值电压也可能相差数百毫伏。当我第一次构建探头时，它与探头短接时输出+600 mV。我拆焊了JFET，测试了零件盒中的所有零件，并将两者最匹配的零件焊接到了板上。现在，偏移量变小了，但仍然是+ 30mV。将来的修订版应具有一种用微调电位器补偿该失调电压的机制。

另一个问题是输入电压范围。负电压线性下降至-30 V及以下，但高于+6 V（衰减至+0.6 V）的正电压逐渐引起越来越多的失真。这是由于JFET源极跟随器击中正电源轨时饱和所致，而栅极漏极阈值电压为-2.1 V加剧了这一情况，这意味着0 V输入已经导致+2.1 V输出。
正确的解决方法是将衰减器偏置到-2.1 V而不是接地。

您在这里做了很多出色的工作。

但是您选择的零件可能无法满足您的规格。

您有设计规范吗？
步骤％超调（在以50R端接的电缆上），增益误差0〜50MHz，DC偏移，Pwr，开/关开关？ESD防护等级？短销存放？

您认为BAS二极管的速度足够快，可以通过直接连接保护FET免受ESD影响吗？我记得在80年代，许多年轻的EE都在Tek FET缓冲Diff探头上吹响了前端FET，该探头以25V电压自爆。我将添加R系列以限制输入电流，并用TI的ESD二极管代替BAV99。TPD1E04U04为0.5pF。二极管的导通速度必须比FET快，以保护它们，并且ESD的皮秒级可能为10安培。

我可能会考虑在评估套件的布局AD8001。

16个现货免费在下个工作日发货£8.04 来自RS Electronics

规格：1.5pF输入电容800 MHz GBW，PSRR> 50dB

通过板载增益选择选择x1 x10增益。
优选使用50欧姆电缆和50欧姆终结器来获得800MHz至80MHz的全带宽。

将Tektronics Diff Fet探针机械设计用于探针。尽管较新的Tek型号起价为6000美元，但它们的工作频率高达x GHz。但是对于手持式和一次性焊锡引线，请考虑使用其探针。

由于它是电流反馈芯片，因此输入阻抗是非常规的
+ Input 10MΩ–
Input50Ω