Wie in meinem Posting <3a0956b1.425062836@z1.oliverbetz.de> von 2000-11-07 in de.sci.electronics angekündigt, stelle ich hier die Informationen zur Verfügung. Vielen Dank für die Tips zu schnellen Operationsverstärkern an Jorgen Lund-Nielsen und Rolf Bombach.
Für einige Messungen ist ein passiver Oszilloskop-Tastkopf nicht geeignet. Besonders bei höheren Frequenzen wird die Kapazität von ca. 15pF zum Problem: schon bei 20MHz beträgt der Scheinwiderstand der 15pF nur noch ca.530Ohm.
Einerseits belastet das die Schaltung, andererseits muß der Strom durch den Masseanschluß wieder zurückfließen. Wenn man keine niederohmige "Masse" in der Nähe des Meßpunktes hat, kann das schwierig werden (das gemessene Signal "klingelt").
Man muß aber keine 1000EUR für einen kommerziellen FET-Tastkopf ausgeben, eine einfache Schaltung aus einem JFET-Folger mit einem schnellen Operationsverstärker reicht für die meisten Zwecke. Und kann teilweise noch mehr, z.B. einen größeren Spannungsbereich.
Hier die Schaltung:
Sie wird mit einem Koaxkabel am Oszilloskop angeschlossen, das dort korrekt terminiert sein muß.
T2 ist der eigentliche Folger. Er hat eine typische G-D-Kapazität von etwa 1pF, und wenn man den Gateanschluß direkt in die Schaltung lötet (wieso nicht?), ist das auch die Kapazität des Tastkopfes. In diesem Punkt sind die kommerziellen Produkte selten besser.
T1 bildet zusammen mit P1 eine Stromquelle. Sie wird so abgeglichen, daß sich an T2 eine G-S-Spannung von 0V einstellt. Also der Offsetabgleich. Nun streuen diese JFETs so stark, daß man theoretisch einen so schwachen BF245B erwischen kann, daß man den BF245A damit nicht auf 0V bekommt. In diesem Fall würde ich den Kameraden wegwerfen und den nächsten probieren. Oder einen BF245C verwenden.
Die Beschaltung um den Operationsverstärker kann als Abschwächer oder als Verstärker konfiguriert werden, je nachdem, was man benötigt.
Für Anwendungen mit Amplituden >1V ist eine 10:1 Abschwächung sinnvoll, weil man schließlich 50Ohm treiben muß und die Treiberleistung des OPV begrenzt ist. Man kann vor dem OPV teilen (R1, R2) und/oder danach (R4 gegen 50Ohm), je nach Operationsverstärker. Bei großer Eingangskapazität ist es am Eingang nicht so gut, bei begrenzter Anstiegsgeschwindigkeit dagegen vielleicht die einzige Möglichkeit.
Beim Teiler am Eingang muß man darauf achten, daß die BF245 nicht zu sehr belastet werden. Mehr als die Hälfte vom Ruhestrom würde ich ihnen nicht zumuten - und nicht den Strom zum Umladen der Kapazitäten vergessen, z.B. 1V/ns an 1pF ergibt 1mA!
Für Anwendungen mit kleinen Signalamplituden kann man auch eine 1:1 Version bauen. Da man bei den meisten Operationsverstärkern aber das Kabel mit einem Serienwiderstand entkoppeln soll, braucht man dann eine Verstärkung >1 am OPV. Z.B. R3 = R7 (G = 2) und R4 = 50Ohm.
R3 und C1 wollen manche Operationsverstärker auch dann, wenn sie als Spannungsfolger konfiguriert werden (z.B. 200Ohm, 3,9pF beim THS4001).
Die Entkopplung der Versorgungsspannung ist ausreichend breitbandig, die Ta-Kondensatoren C4, C5 können auch kleinere Werte aufweisen. R5, R6 sind eine Entkopplung der Zuleitung, können i.d.R. auch entfallen oder durch Ferrite ersetzt werden (aber wer hat die schon in der Bastelkiste).
Ich habe die Schaltung mit einem THS4001 ausprobiert, der zwar 270MHz Bandbreite, aber "nur" 0,4V/ns Anstiegsgeschwindigkeit hat. Deshalb habe ich vor dem Verstärker mit 6,66kOhm:1kOhm geteilt und das Kabel mit nur 15Ohm entkoppelt. Die nominal 1,5pF des THS4001 ergeben mit den 870Ohm Quellwiderstand des Teilers ca.100MHz theoretische Bandbreite und 3ns Anstiegszeit. Mit einem "Angstwiderstand" von 1kOhm am Gate von T2 ergab dann auch eine Messung gut 60MHz Bandbreite.
Der BF245 sollte eher schneller sein, mit den richtigen Verstärkern und guter Dimensionierung kann die Schaltung bestimmt weit mehr als 100MHz Bandbreite, aber die benötigte ich nicht. Deshalb habe ich die JFETs auch gesockelt (Verschleißteil).
Ein LM6171 (herzlichen Dank an Rolf Bombach!) kann sehr flotte 3,6V/ns, deshalb habe ich ihn als Folger eingesetzt und am Ausgang mit 450Ohm zum Kabel die 10:1 Abschwächung eingestellt. Aber er ist unterkompensiert (damit schaut die Bandbreite im Datenblatt besser aus) und klingelt nach schnellen Transienten ca. 20ns lang. Da hilft mir der schnelle Anstieg auch nichts. Vielleicht kann ich das noch optimieren.
Die Schaltung paßt auf eine 36mm x 10mm "große" Platine (also nicht größer als ein passiver Tastkopf), die eingeschrumpft recht robust ist:
Die Enden löte ich vorzugsweise in die Schaltung. Das geht schnell und hält besser als irgendwelche Clips.
Das einzige Problem ist mit einer so kleinen Platine die Mindestbestellmenge von 1dm^2 bei den üblichen Lieferanten.
Eine Layoutanregung habe ich auch noch:
Und den Tip, das Koaxkabel durch einen Ferritring zu ziehen. Das schadet auch bei passiven Tastköpfen nicht und reduziert Resonanzen ("Klingeln"):
Den FETs sollte man schon ca. 5V übrig lassen. Dem OPV reicht das auch, selbst, wenn er als Folger konfiguriert ist.
Bei 5V-Logiksignalen kann man also mit -5V und +10V speisen. Insgesamt sind 30V kein Problem mit den o.g. Verstärkern und ich messe damit regelmäßig 15V-Signale (mit -5V und +20V Versorgung).
Die DC-Genauigkeit der Schaltung ist schlecht, auch durch thermische Effekte. Z.B. ändert sich mit der Eingangsspannung die Verlustleistung in T1 und T2, dadurch ihre Temperatur und letztlich die Offsetspannung. Nach einem Spannungssprung kann man also ein Kriechen beobachten. Das wird noch schlimmer, wenn maneinen BF245B als Folger nimmt, weil der Strom höher ist.
Man kann deshalb einen DC-Regelkreis um den HF-Pfad herum aufbauen. Die Schaltung und die Platinen habe ich herumliegen, wenn ich sie einmal testen sollte, werde ich dieses Dokument entsprechend ergänzen.
Wer vorher etwas wissen will, kann mir eine Mail (aktuelle Adresse auf der Website) schicken. Kommentare, Verbesserungsvorschläge, Fehlerberichte usw. sind auch jederzeit willkommen.
Änderungsgeschichte
Oliver Betz www.oliverbetz.de