Aktiven Tastkopf selber bauen (fertig zum Nachbauen)

[PICture]

Ich wollte, wenn du dir noch meinen letzten Tread erinnern kannst, einen Verstärker für den 100:1 Hochspannungstastkopf mit 2 pF bauen. Es hat aber keinen Sinn z.B. wegen Rauschen das Eingangssignal zuerst 100x teilen und danach 10x verstärken. Deswegen bin ich doch mit einem Tastkopf mit Teilung einverstanden, das wichtigste für mich ist die sehr geringe Eingangskapazität um max. 2 pF.

Die Tektronix FET Tastköpfe, für die bis zum 1000 € verlangt wird, haben um 1 pF Eingangsimpedanz, teilen die Eingangsspannung 10:1, haben max. Eingangsspannung um +/- 5V und Bandbreite 1 GHz.

Es scheint also doch FET Eingang mit z.B. Teiler 5:1 optimal für uns zu sein. Dann wird am Oszi die Eiganspannung durch 10 und die Eigangskapazität durch fast 5 geteilt. Für untere Grenzfrequenz um 1 kHz reicht dann Kupplungskondensator um 10 µF, der noch schön klein ist. Die Ausgangsstufe kann aber auch mit Ku=2 arbeiten und dann könnte man Eingangsteiler 10:1 anwenden, was sich dem Tektronix Tastkopf nähert, ausser Banbreite, die sowieso keiner von uns braucht. Man könnte auch einen Umschalter 1:1/10:1 einbauen, der wird aber die Eigangskapazität ehrhöhen.

Als Ausgangstufe bietet sich, zumindest laut Simulation über 150 MHz mit Verstärkung Ku=1, die aus meiner letzter Skizze nur mit einer Versorgungsspannung ab ca. +8 V.

Ich werde den Tastkopf sicher zuerst mit den BFR 91A aufbauen, ohne dem langsamem BF324, der sich nur bis höchstens 100 MHz eignet. Du kannst es identisch mit langsameren Transistoren realisieren.

Ich habe mir schon Datenblätter von allen MAX OpAmps, die bei Reichelt zu kaufen sind, angeschaut und nur einer kann mit Verstärkung > 1 arbeiten (MAX4224). Weil es ein OP mit "current feedback" ist, und ich damit noch keine Erfahrung habe, mache ich lieber etwas mit diskreten Bauteilen.

Um kleinstmögliche Eingangskapazität zu erreichen werde ich mit dem Eingangsspannungteiler nach beendigung der Montage folgendermaßen vorgehen:

Zuerst prüfe ich den Teiler ohne C1 und C2 und stelle fest, welcher von den zwei Kondensatoren C1 bzw. C2 nötig ist. Ich vermute, dass der C1, weil eigene Kapazität des SMD Widerstandes R1 extrem gering ist und kann die Montagekapazitäten nicht kompensieren. Wenn so wäre, werde ich ein selstgemachten HF Trimmer einlöten und den Teiler damit kompensieren. Ich habe versucht den Trimmer zu skizzieren. Er ist gebaut aus zwei emalierten Drahten, zwischen denen eine Kapazität entsteht. Der dünnere wird um den dickeren Draht so lange gewickelt bis die nötige Kapazität erreicht wird. Danach wird der Überschuß des dünnen Drahtes abgeschnitten. Solcher Trimmer eignet sich vor allem für sehr kleine Kapazitäten um 1 pF.

Sollte jedoch die Montagekapazität sehr klein sein, so das die eigene Kapazität des R1 den Teiler überkompensiert, wird als C2 ein SMD Trimmer eingelötet und der Teiler damit kompensiert. Es werden aber nie beide verwendet, da die Eingangskapazität damit wächst.

Ich habe mir noch gedanken gemacht über Ausgangsimpedanz der Endstufe und mir ist aufgefallen, dass um sie nach den zu Oszilloskop führenden Koaxkabel anzupassen, braucht man nur den Widerstand R9 in Emitter des T3 einfügen. Weil die Ausgangstufe, so zu sagen, für jede Halbwelle anders arbeitet, kann man, wenn nötig, jede Halbwelle individuell an den Koaxkabel anpassen. Für die positive Halbwelle ist der T3 in Kollektorschaltung und fur die negative T4 in Emitterschaltung zuständig. Wenn der R9 seriell mit dem 50 Ohm Koaxkabel geschaltet wäre, würde die Ausgangstufe für die +Halbwelle eine Ausgangsimpedanz des T3+R9 und für die -Halbwelle Ausgangsimpedanz des T4+ R9 + R10, also unsymetrische Ausgangsimpedanz haben. Es ist eigentlich egal ob der R9 in Kollektor bzw. Emitterkreis des T3 eingefügt wird, aber wegen Symmetiebelastung des T2, ist Emmiterkreis günstiger, da die den T2 belastende Eingangsimpedanzen von T3 und T4 dann gleich sind. Die ungleiche Ausgangsimpedanzen der Transistoren T3 und T4 lassen sich individuell für jede Halbwelle mit R9 und R10 ausgleichen. Ich gebe zu, dass ich bei seiner Entwicklung an die Ausgangsimpedanz und Anpassung an Koaxkabel noch nicht gedacht habe.

Ich werde die Schaltung im Code nach deiner Zustimmung gleich umdimensionieren und aufbauen. Ich brauche von dir nur noch den Eingangsteilungsfaktor, untere Grenzfrequenz und die Versorgungsspannung. Es wäre wirklich toll, wenn du die Schaltung nach der entgültiger Dimmensionierung, vor allem wegen Ausgangsimpedanz zumindest grob simulieren könntest.

MfG

                    +-----+----------+------+---------+---+-----o +10V
                    |     |          |      |         |   |+
                    |     X 2mA     .-.     |      C9--- ===C10
                    |     |       R6| |     |      µ1--- /-\220µ
                    |     |      300| |     |         |   |
                    |     |   C4    '-'     |        === ===
                    |     |      \]  |      |        GND GND
                    |     |   +--|]--+      X  30mA
                    |     |   |  /]+ |      |
           _        |     |   |      X 8mA  |   IC1 = LM78L05
          | |       |     |   |C5||µ1|      |
          | |       |     |   +--||--+      |   T2...T4 = BFR91A
          |/|       |     |   |  ||  |    |/
          / |       |     |  ===    .-.+--| T3
       C1 |/|       |     |  GND  R7| ||  |>    C7
          / | BF245A|     |      270| ||    |
          |/|       |    .-.        '-'|   .-.  +[/
  ________/ |  T1 |-+    | |R4       | | R9| | +-[|-+
  |  ___  |_|     |    C3| |3k3      +-+ 51| | | [\ |
<-+-|___|-+---+-->|-+    '-'         |     '-' |    |  RG174    Oszi
    R1    |   |     |  || |        |/       |  | || |  ____  _____
          |   |+0,5V+--||-+--------| T2+    +--+-||-+-(___(-(___(o)
          |   |     |  || |        |>       |    ||   |          |
          |  .-.   .-.   .-.         |    |/         ===    +----+----+
      C2 ---/| | R2| |R3 | |R5       +----| T4   C8  GND    |    |    |
         --- | | 1M| |?  | |1k2      |    |>     µ1         |   .-.  .-.
        \/|  '-'   '-'   '-'         |      |            12p--1M| |51| |
         \|   |     |     |         .-.    .-.             ---  | |  | |
         === ===   ===   ===      R8| | R10| |              |   '-'  '-'
         GND GND   GND   GND     270| |  51| |              |    |    |
                                    '-'    '-'              +----+----+
                                     |      |                    |
                                    ===    ===                  ===

[Besserwessi]

Für einen wirklich kleine Eingangskapazität wird man wohl kaum um den Teiler herumkommen. Ursprünglich war ich auch für einen Teiler, auch schon für einen besseren ESD Schutz. Das Problem mit dem Teiler ist aber, das die Widerstände fürchterlich rauschen. Schon ein 10 Kohm Widerstand sollte etwa so stark Rauschen wie der Verstärker. Ich würde deshalb wenn überhaubt einen eher niederohmigen (z.B. 100 kOhm Eingangswiderstand) Teiler nehmen, wobei wohl auch 1:4 oder so reichen sollte. Je nachdem wie kleine die Kapatzität wirklich wird, wäre auch nur ein kleiner Schutzwiderstand (ca. 5-10 K) eine Möglichkeit.

Die Anpassung an das Kabel würde ich lieber doch klassisch mit einem Serienwiderstand machen. Wenn ich zeit habe werde ich das aber noch mal simulieren. Die Begrenzung der Amplitude kommt ohnehin eher durch den Strom als den Spannungshub. Die Form der Endstufe scheint wirklich nicht so gut bei nur Verstärkung 1 zu sein. Die Stromverteilung sieht bei Verstärkung 4 irgendwie besser aus. Auch von der Bandbreite wird das Verstärkung 4 noch nicht viel schlechter in der Simulation, dafür wächst der Aussteuerungsbereich auf fast 6 Vpp.
Bei Verstärkung 1 könnte man auch gleich beim Emitterfolger bleiben, denn das volle Signal wird da auch an R10 anliegen.

Die Letzte schaltung wird da wahrscheinlich noch nicht gehen, die FET Stufe wird wohl noch etwas zu stark belastet. Da die Verstärkung ja insgesamt relativ klein ist, glaube ich, könne man weitgehend auf Koppelkondensatoren verzichten. Selbst den Kondensator am Ausgang würde ich besser weglassen, und so einen einfachen Test des Schaltung über den Gleichspannungspegel zu erlauben. Sogar ein Poti zum Nachstellen der Gleichspannung wäre noch gar nicht so schlimm, den sollte man ja HF-mäßig entkoppeln können.

[PICture]

Ich bin mit allem, was du geschrieben hast, einverstanden und würde jetzt vorschlagen, dass vielleicht du jetzt deine Vision skizzierst und ich würde mich drüber äussern. Das sollte die ganze Diskussion beschleunigen und was wirklich gut gedachtes zu bauen ermöglichen.

Das kinderleicht zu bediennendes Program AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 hast du (bei DSL) in wenigen Sekunden installiert und es wird für dich sicher ein wertvolles Werrkzeug sein, zumindest hier im Forum wo du auch sehr viel hilfst.

Hier der Link zu dem Programm:

www.tech-chat.de

MfG

[Besserwessi]

Noch ein Programm zum Zeichenen, macht dann ja auch nichts, ich habe es mitr mal runtergeladen. Erst mal fehlt mir aber etwas die Zeit (bis Freitag).

Den Simulator LTSpice gibt es auch kostenlos zum runterladen, allerdings ist das Paket deutlich größer. Im Vergleich zum originalen alten Spice ist die Bedienung relativ einfach und die Rechener sind mittlerweilen auch so schnell das man fast sofort das Ergebnis hat.

[PICture]

O.K. Vielen Dank.

In der Zwischenzeit habe ich meine Vorstellung, die deinem ungefähr entsprechen sollte, im Code skizziert. Die beiden in Sperrichtung polarisierte Dioden sollten, sogar für mich annehmbare Käpazität haben.

Der breitbandige Verstärker mit T2 und T3 zeichnet sich extrem niedrigem Rauschen.

Was denkst du darüber?

P.S. Ich habe mir schon das Simulationsprogramm LTSpice installiert und muß ich erlich sagen, dass es wirklich ziemmlich einfach ist. Es wird aber trotzdem noch ein bißchen dauern bis es für mich wie ein Taschenrechner wird.

MfG

                                                                  VCC
                                                                   +
                                                                   |
                       +----+----+---+------+-------+---+----+-----+
                       |    |    |   |      |       |   |    |     |+
                       |    |   .-.  |     .-.     .-.  | C6--- C7===
                       |    | R4| |  |   R5| |   R7| |  |   ---   /-\
                       |    |   | |  |     | |     | |  |    |     |
                       |    |   '-'  |     '-'     '-'  |   ===   ===
                       |    |    |   |      |       |   |   GND   GND
                       |    |    |   |   +--+---+   |   |
         C1 \          |    |    |   |   |  |   |   |   |
          ||/\         |    |    |   |   | .-.  |   |   |
   C  +---||--+     D1 -   D|    |   |C4---| |R6|   |   |
      |  /||  |        ^  |-+    |   |  ---| |  |   | |/
   || |  ___  |        |G | T1   |   |   | '-'  |   +-| T4
 <-||-+-|___|-+---+----+->|-+    |   |   |  |   |   | |>
   ||    R1   |   |    |   S| || | |/    +--+   | |/    |
              |   |    V    +-||-+-| T2     |   +-| T3  |
              |   | D2 -    | || | |>      ===    |>    | C5  R9  RG174
              |   |    |    | C3 |   |     GND      |   | ||  ___   ___
              |   |    +----+    |   +-----+--------+   +-||-|___|-(___
              |   | \ +0,5V |    |         |            | ||       |
             .-.  | /\     .-.  .-.       .-.          .-.        ===
           R2| | ---C2   R3| |R5| |     R6| |        R8| |        GND
             | | ---       | |  | |       | |          | |
             '-'/ |        '-'  '-'       '-'          '-'
              |   |         |    |         |            |
             === ===       ===  ===       ===          ===
             GND GND       GND  GND       GND          GND

                        T1 = BF245A, T2...T4 = BFR91A

[Besserwessi]

Die Schaltung ist ein Kompromiss mit weniger maximaler Amplitude, sieht aber sonst brauchbar aus. Die eine Diode am Eingang ist wohl noch falsch herum. Für den Schutz am Eingang wäre eine leicht negative vorspannung für die Diode gegen GND nicht schlecht. Immerhin vertragen die FETs bis etwa -30 V und so ist die dioden noch nicht richtig vorgespannt. Ich verstehe aber, das man nur für den Eingangsschutz nicht unbedingt extra eine negative Spannung haben will.

[PICture]

Die Dioden sind richtig polarisiert und das Gate vom T1 sollte um -0,5V gegen S haben, weil auf dem S sollte eine Spannung ca. +0,5 V sein. Die Diode D2 muß also nicht zwischen G und GND, sondern zwischen G und S geschaltet werden. Ich habe es bemerkt, dass das Eingangsignal, zu mindest bei mir, mit einem Kondensator C von der DC Spannung die einige V betragen kann, entkoppelt seien muss. Das alles habe ich schon in der letzten Skizze geändert um sie nicht ganz wieder posten zu müssen. Die Spannung -0,5 V ist optimal für den FET, um max. linearen Bereich +/ 0,5 V der Einganngsspannungen auszunutzen.

Eine niedrigere Eingangsimpedanz ist wegen Rauschen, vor allem bei HF, immer günstiger. Ich werde für mich sogar 10k akzeptieren. Dann ist die Frage, ob man den FET überhaupt braucht. Wenn du mir noch die Eingangsimpedanz und Versorgungspannung sagst, kann ich das fertig dimmensionieren, aufbauen und testen.

MfG

[PICture]

Ich habe meinen aktiven FET Tastkopf schon dimmensioniert und so werde ich ihn zum testen aufbauen. Er sollte ziemlich frequenzstabile Eingangsimpedanz um 20 kOhm mit Eingangskapazität um 1pF haben. Die mit dem Stern bezeichnete Widerstände R3 und R11 werden, wegen fehlenden genauen Daten der Transistoren ermittelt.

Die Schaltung wurde für untere Grenzfrequenz 500 Hz dimensioniert und sollte mit geringen Rauschen bis min. 150 MHz gehen. Weil die Verstärkung von T2 und T3 gleich ca. 4 ist und an Oszilloskop nur die Hälfte ankommen sollte, wurde Eingangsteiler 2:1 gewählt, was einen Übertragungsfaktor 1:1 bei Eingangspannung max. 2 Vpp ergibt.

Für höhere Eingangsspannungen muss die Verstärkung und die Versorgungsspannung, sowie der Eingangsteilungsfaktor erhöht werden, da der FET nur bis max. 1 Vpp linear übertragen kann. Wer bereit ist, eine höhere Eingangskapazität und größeres Rauschen in Kauf zu nehmen, kann sich am Eingang einen Umschalter 1:1/10:1 einbauen und eine Eingangsimpedanz 200k bei 10:1 haben.

Ich bin ehrlich gespannt wie es funktionieren wird und werde natürlich weiter berichten.

P.S. Ich habe es doch geschafft einen 51 Ohm SMD Widerstand in einen zusammeengeschraubten (kein Crimp) BNC Stecker reinzukriegen. Das habe ich hoffentlich verständlich im Code skizziert. Vor dem Zusammenschrauben des Steckers habe ich zur Sicherheit noch ein Stück vom Schrumpfschlauch (nicht erhitzt) auf das Koaxkabel zwischen den Widerstand und auseiandergeflochten Schirm gezogen, der durch das Zusammenschrauben im Stecker eingeklemmt wurde. Damit ist das Koaxkabel beim Oszilloskop richtig abgeschlossen.

MfG

                                                                 VCC=+5V
                                                                    +
                                                                    |
                    +----+----+---+---------+-------+---+----+------+
                    |    |    |   |         |       |   |    |      |+
                    |    |   .-.  |        .-.     .-.  | C8---  C9===
                    |    | R4| |  |      R6| |   R9| |  | µ1---    /-\
                    |    |15k| |  |     1k8| |  240| |  |    |  100µ|
                    |    |   '-'  |        '-'     '-'  |   ===    ===
                    |    |    |   |         |       |   |   GND    GND
                    |    |    |   |  +---+--+---+   |   |
        C1 \        |    X1mA |1mAX  |   |  |510|8mAX   X30mA
         ||/\       |    |    |   |C4| C5|+.-.R7|   |   |
  C  +---||--+   D1 -   D|    |   | --- ===| |  |   |   |
 15n |  /||  |      ^  |-+    |   | --- /-\| |  |   | |/
  || |  ___  |      |G |   T1 |   |µ1|10µ| '-'  |   +-| T4
<-||-+-|___|-+--+---+->|-+    |   |  |   |  |   |   | |>    C6
  ||    R1   |  |   |   S| || | |/   +---+--+   | |/    | ||µ1
        10k  |  |   V    +-||-+-| T 2       |   +-| T3  +-||-+
             |  |D2 -    | || | |>         ===    |>    | || |*R11 RG174
             |  |   |    | C3 |   |        GND      |   |+[/ | ___   ___
             |  |   +----+ µ1 |   +--------+--------+   +-[|-+|___|-(___
             |  | \+0,5V |    |            |            | [\        |
            .-. | /\    .-.  .-.          .-.          .-. C7      ===
          R2| |---C2 *R3| |  | |R5      R8| |       R10| | 4µ7     GND
         10k| |---   510| |  | |3k9     56| |        82| |
            '-'/|       '-'  '-'          '-'          '-'
             |  |        |    |            |            |
            ======      ===  ===          ===          ===
            GNDGND      GND  GND          GND          GND

                     T1 = BF245A, T2...T4 = BFR91A



         isolierte         SMD Widerstand 51 Ohm
         dünne Litze               |
                     \             |
                      \          __V__     Zum Schirm     Schirm
                       +-------X|_____|X   gelötet       /
                       |  ______________\ /____________ /
            .--------.X| |______________\X/____________/
    .-------|        |-+ |
    '-------|        |----------------------------------Innenleiter
            '--------'X  |_____________________________
                A      \ |_____________________________
                |       \                              \
        zum BNC Stift gelötet                           \
                                                         \
                                                 Aussenisolation
        X - Lötstelle

[Besserwessi]

Die beiden Dioden am Eingang schützen nur gegen positive Spannungen, wobei D1 alleine wohl keinen Ausreichenden Schutzbietet. Bei D2 hängt das von der Flußspannung ab, ob der Schutz wirkt, dazu muß die Flußspannung der Diode kleiner als die der Gate Diode sein. Es fehlt ein Schutz gegen negative Spannungen (< -30 V).

R3 kommt mir sehr klein vor. Damit sollte man bei der FET Stufe bei weitem keine VErstärkung von 1 mehr kriegen, sondern schon recht viel Amplitude verlieren. Da müßte man eventuell eine Stromquelle (z.B. einen gelichen FET) nehmen.

[PICture]

Hallo Besserwessi,

man könnte die Diode D1 an C4,C5 anschliessen, wo normal die Spannung um +1,1 V betragen sollte. Damit werden die Dioden in Sperrichtung mit ca. -0,5 V ond ca. +1 V polarisiesiert. Das sollte im jeden Fall ausreichen. Ich werde persönlich keinen Schutz am Eingang wegen Eingangskapazitäten verwenden, da ich höchstens mit Versorgungsspannungen bis 15 V arbeite.

Zuerst möchte ich keinen zweiten FET nehmen. Die Abschwächung des Eingangssignals am Eingang durch den FET habe ich irgendwie vergessen. Im schlimmsten Fall um die Schaltung nicht zu komplizieren könnte man sie durch Entfernung des Eingangsteilers (vergrößerung des R2) bzw. Verdoppelung der Verstärkung von T2 und T3 erreichen. Ich werde die Schaltung sowieso stufenweise vom Ausgang aufbauen und jede Stufe gleich prüfen.

Dabei möchte ich den vorhandenen Hochspannungstastkopf 100:1 als Referenz benutzen und werde mit der Schaltung schon zufrieden, sogar wenn ich nur 10- fach größeres Ausgangssignal mit vergleichbarer Eingangskapazität hätte, die für mich bei HF am wichtigsten ist. Um die Spannungsquelle beim Vergleich mit der Eingangskapazität und niedriger Eingangsimpedanz nicht zu belasten, muss ich mir zuerst doch die Eingangsstufe getrennt aufbauen, die ich zukunftig sicher brauchen kann. Möglicherweise bleibe ich nur beim einsteckbarem Impedanz/Kapazität Wandler für 10:1 Tastkopf, was sich aber sicher wegen bloß 5 Bautelen nicht besonders lohnt. Mein Ziel ist ganz klar und die Realisierung egal.

Ich habe ein bischen mit dem Simulator gespielt, aber bisher die Messergäbnisse nicht verstehe. Warum bekomme ich bei einem Emittervolger ein Ergäbniss um -20 dB wenn er praktisch um ca. -0,5 dB seien sollte? Ausserdem wegen sehr begrenzter Auswahl von Transistoren finde ich das Programm für HF praktisch unbrauchbar. Wahrscheinlich bei HF Schaltungen komme ich in der Praxis ohne mehrmaligem Aufbau der Schaltung leider nicht weiter.

MfG