工程名称:100MHz高压差分探头
前言
花50元手搓100MHz的高压差分探头!
*用于连接示波器检测高电压差分信号
性能对标麦科信的那种!(对标1000+元那款)(测试见第3章)。
全开源!电路解析超详细!不怕你学不会!
01 项目指标/亮点
01 技术指标
电源输入:4.8V~5.5V,type C接口供电
锂电池电压:满电电压4.2V
50X增益带宽≥5MHz
500X增益带宽≥50MHz
输入电压≥800V且不击穿
02 功能亮点
所有物料是国内的厂商,方便好买
支持锂电池和Type-C双电源供电,可边充边用,支持电源路径管理功能
共模抑制尽可能的高,以应对工频干扰
制作了1200V高耐压输入的差分探头
核心运放:SGM8061,500MHz带宽
锂电池充电管理芯片:TP4057,充电电流为220mA
隔离变换供电芯片:VPS8702,1W输出功率
可快速拆卸线缆设计
想低成本实现上述指标/亮点,如何设计电路?如何选型?
02 电路原理解析
充电管理与隔离变换原理图
衰减与放大原理图
PCB尺寸为35mm*100mm,可免费打样。
高压差分探头PCB图
下面将电路分为5个模块,解析一下原理。
01 Type-C供电和路径管理
①使用D2将type C输入电源分割成为两个电源域,为路径管理行方便;
②加入了PD握手识别电阻,支持PD供电头使用;
③右手边的LED灯通过分压电阻控制,用于电源指示与电池电量指示。
02 电池充电和路径管理
电池充电 采用最便宜的TP4057芯片设计。
电源路径管理 没有找到合适的芯片,所以选择手动切换 电源路径控制(人工智能喔~)(又省下一笔)。
工作原理如下:
在使用电池供电,且按键按下的时候,将拉低Q2,Q3的栅极电压使其导通,让其正常工作,二极管 D5可以防止电流倒灌,避免被VPS8702拉低,影响该开关电路的工作。
在使用电源供电时,由VBUS电压经过D5强制拉高Q2,Q3栅极电压,禁止在外接供电时充电。想避免5V供电直接对电池进行充电的前提是D2这个二极管,需要压差低。压差太大的二极管会导致实际到达TP4057的电压低,会造成充电电流低等问题。
03 隔离变换供电与稳压滤波
隔离电压模块采用VPS8702设计,SOT23-6封装。变压器采用EPC10设计,其功率容量最大3W。
想降低压差,怎么做?
由于应用对象是运放,需要双电源供电,为了降低压差,这里将两个肖特基二极管并联,增加RC串联电路以此降低反向恢复尖峰,降低电源纹波,降低EMI干扰。
其中,U14电容跨接在两个电源的地平面上,可以为变压器的高频干扰提供一个回流路径。
经过电容滤波的纹波高达30mVpp,不满足要求,怎么破?
需要经过磁珠的二次滤波。
这里的磁珠规格采用的是2KΩ@100MHz,电流200mA,其中最重要的是后面的两个稳压电阻。因为后端电路需要消耗一定的电流,使其磁珠产生压差才能让磁珠工作,经过磁珠之后,纹波降低到10mVpp了,这个纹波完全可以接受,经过LDO滤波还能降的更低。
电源处理到此结束了,供给给运放的电源电压是±2.5V,纹波是≤5mVpp的。受限于示波器底噪,高频变压器的磁干扰,不然应该是能达到手册上描述的50uV的纹波
04 电压衰减电路与放大器
以下是6个设计说明:
一个1206电阻的耐压是200V,使用多个进行串联以提高耐压。
并联在电阻上的电容是进行相位补偿 的。
衰减网络设计为500:1,可以兼容 市面上大多数高压差分探头,方便使用
由于电阻的精度不能完全满足运放的共模抑制要求,所以需要一个可调电阻 进行微调到合适的值
由于运放失调电压的存在,共模抑制调整好了,可能运放的输出轨道会偏,所设计了一个轨偏置电路
信号处理电路的最后加上二极管进行钳位,避免大电压冲击运放
运放采用SGM8061设计,sot23-5封装,是单通道500MHz高速运放,也是电压反馈型运放。
使用三个高速运放组成仪表放大器,使其具有超高的共模抑制比,高精度输出。
不可避免的是,该运放的输入失调电压真的是太大了,会导致在50X增益时的轨道偏移,我实际贴出来的板子,上面的402欧电阻用的是0.1%精度的,都挽救不了这种情况
U15,U17运放组成同向放大器,在断开模拟开关时,增益为1,接通模拟开关时,增益为10
注意了!
由于是电压反馈型运放,所需的反馈电阻较大,同时对布线较为敏感,容易自激振荡,所以加上了一个前馈电容,虽然稳住了环路,但是也降低了带宽,实属无奈之举。
根据运放的数据表格,可以看到,在输出增益为+10的时候,带宽是非常低的,只有不到10MHz,再加上前馈电容的影响,实际上还到不了10MHz。
最后的一级运放是作为输出级使用的,一个简单的差分转单端输出,输出端接了一个隔离电路。这其实也是一个RC低通滤波器电路,避免运放负反馈环路与输出干扰,-3dB带宽是106MHz。
运放的负反馈上的那个前馈电容主要功能是调整方波信号过冲问题,副作用是带宽会降低。
模拟开关基于BL1551B设计,最大导通频率是300MHz,寄生电容约5pF,略大了,V6版本也对负信号输入进行了优化,使其回勾变小,工作频率可以更高。
05 过压检测与告警电路
这属于低成本的过压检测。
这个功能是心血来潮加上去的,将TL432当作比较器使用,在低带宽的情况下响应是没问题的。但工作频率增加之后,光耦是来不及响应的,在高频信号下,功能属于残废状态。但对于一些低频的开关电源来说也是勉强够用的。
高级一点是使用高速比较器+计时器进行检测与告警,不过电路复杂成本高。
关于电池:
电池采用502030规格的,能满足一个半小时的便携式使用,如果觉得电池容量小,可以选用602040规格的。
03 实测说明
以东科65W电源实测。
黄线是麦科信100MHz,蓝线是我制作的。
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示波器打开了深存储,可以看到虽然有点小振荡,不过并不影响实际测量结果。
反向输入实际测试:
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效果基本上一模一样!!!!
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