¿Por qué las impedancias de entrada del osciloscopio son tan bajas?

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Mi pregunta es doble:

¿De dónde viene la impedancia de entrada?

Me pregunto de dónde viene la impedancia de entrada de su multímetro u osciloscopio promedio. ¿Es solo la impedancia de entrada a la etapa de entrada del dispositivo (como un amplificador o etapa de entrada de ADC), o es la impedancia de un real resistencia ? Si es la impedancia de una resistencia real, ¿por qué hay una resistencia? ¿Por qué no solo los circuitos de entrada?

Medí la impedancia de entrada de mi osciloscopio con un DMM. Cuando se apagó el osciloscopio, el DMM midió aproximadamente 1.2MΩ . Sin embargo, cuando se encendió el osciloscopio, el DMM midió casi exactamente 1MΩ (¡incluso pude ver la entrada de prueba de 1V aplicada por el DMM en la pantalla del osciloscopio!). Esto me sugiere que hay un circuito activo involucrado en la impedancia de entrada del osciloscopio. Si esto es cierto, ¿cómo se puede controlar con tanta precisión la impedancia de entrada? Según mi comprensión, la impedancia de entrada a los circuitos activos dependerá en cierta medida de las características exactas del transistor.

¿Por qué la impedancia de entrada no puede ser mucho mayor?

¿Por qué la impedancia de entrada de un osciloscopio es de 1 M Ω estándar?1MΩ ? ¿Por qué no puede ser más alto que eso? ¡Las etapas de entrada FET pueden lograr impedancias de entrada del orden de teraohmios! ¿Por qué tener una impedancia de entrada tan baja?

Supongo que una ventaja de un estándar preciso de 1MΩ es que permite sondas 10X y similares, lo que solo funcionaría si el alcance tuviera una impedancia de entrada precisa que no fuera demasiado grande (como la de una etapa de entrada FET). Sin embargo, incluso si el osciloscopio tenía una impedancia de entrada realmente alta (p. Ej., Teraohmios), me parece que todavía podría tener sondas 10X simplemente teniendo un divisor de voltaje 10: 1 dentro de la sonda, con el osciloscopio midiendo a través de un 1MΩ Resistencia M Ω dentro de la sonda. Si tuviera una impedancia de entrada del orden de teraohms, esto parecería factible.

¿Estoy malinterpretando los circuitos de entrada de un osciloscopio? ¿Es más complicado de lo que pretendo que sea? ¿Qué piensas sobre esto?

La razón por la que pensé en esto es que recientemente he estado tratando de medir la impedancia de entrada en modo común de un par diferencial acoplado por emisor, que es mucho más grande que la impedancia de entrada del alcance, por lo que me pregunto por qué la impedancia de entrada puede No seas más grande.

hddh
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El tema es mucho más complejo de lo que piensas. Parece que solo está considerando la respuesta DC, pero de hecho, un ámbito debe tener una respuesta plana hasta su ancho de banda especificado. Este es un gran desafío, y la estandarización de 1MΩ / 50Ω hace que el problema sea al menos algo manejable para los fabricantes de sondas.
Dave Tweed
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¿Te gustaría usar mi viejo alcance? Se puede configurar para una impedancia de entrada de 100 ohmios. Por otro lado, fue construido en 1965, y la configuración estándar para ello es la impedancia de entrada de 1MOhm. 1M parece haber sido estándar durante bastante tiempo.
JRE
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No olvide que una sonda 10 tiene una impedancia de entrada de 10 M Ω×Ω
D Duck
@DaveTweed ¿Entonces no es factible tener una etapa de entrada FET con un ancho de banda lo suficientemente alto? ¿Cómo son realmente las etapas de entrada de los ámbitos?
hddh
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¿Está directamente en el ADC? No, ¿cómo podría un osciloscopio medir 1 mV y 100 V? Configuración habitual: BNC - protección de entrada + atenuación conmutable - Etapa de entrada (a menudo basada en FET) - ADC. Entonces sí, muchos están basados ​​en FET. No tendría un dispositivo activo para definir la impedancia de entrada. Hay una resistencia de 1 M para configurarlo correctamente. Le recomiendo que estudie cómo se hacen las cosas y se pregunte POR QUÉ antes de asumir: debe ser ... no puede ser ... Porque se confundirá.
Bimpelrekkie

Respuestas:

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Yo diría una combinación de algunos factores.

  1. Las etapas de entrada de un osciloscopio son un compromiso difícil. Deben tener una amplia gama de ganancias / atenuaciones, deben ser tolerantes con los errores del usuario y deben pasar anchos de banda altos. Agregar un requisito para una resistencia DC muy alta complicaría aún más las cosas. En particular, los atenuadores necesarios para manejar el extremo superior del rango de nivel de entrada de los ámbitos se volverían mucho más complejos / sensibles si necesitaran una resistencia de CC muy alta.
  2. Es un estándar de facto, cambiar a otra cosa conduciría a incompatibilidades con sondas existentes, etc.
  3. No habría mucho beneficio de todos modos.

Para explicar más detalladamente el punto 3, a frecuencias moderadas (desde unos pocos kilohercios hacia arriba) la resistencia DC de 1 megaohmio de la entrada del osciloscopio no es el factor dominante en la impedancia de entrada global. El factor dominante es la capacitancia, con el cable haciendo probablemente la mayor contribución.

(de hecho, a frecuencias UHF / microondas, es común reducir la impedancia de entrada del alcance a 50 ohmios, por lo que la inductancia en el cable puede equilibrar la capacitancia y el cable se convierte en una línea de transmisión adecuadamente adaptada)

Lo que esto significa es que si son deseables altas impedancias de entrada, es mucho mejor lidiar con eso en el punto de sondeo que en el alcance. El compromiso típico de costo / flexibilidad / impedancia de entrada para uso general es una sonda pasiva x10.

Si necesita una resistencia de CC realmente alta, la solución es agregar un amplificador basado en FET delante del osciloscopio, preferiblemente lo más cerca posible del punto de medición.

Peter Green
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¿La capacitancia de entrada también está diseñada específicamente como la impedancia de entrada de 1Mohm, o es solo un elemento parásito que se mide? (Una capacitancia de entrada no precisa no sería un problema ya que las sondas atenuantes tienen condensadores variables.) ¿Sería correcto decir que: si no se necesitaran circuitos de atenuación y no nos preocupara la coincidencia de impedancias a frecuencias más altas (en en cuyo caso podría tener una entrada conmutable a 50 ohmios), ¿estaría bien tener una entrada directamente en la etapa FET de alta impedancia? Solo trato de entender las diferentes razones para esto directamente en mi cabeza.
hddh
Supongo que incluso entonces, todavía tendría que preocuparse por la capacitancia de la sonda / cable, pero en ese caso agregar 1 meg a través de ella solo hará que la impedancia sea aún más baja. Y las sondas 10X podrían tener su propia resistencia de 1meg en paralelo con la salida de la sonda. Básicamente: ignorando las sondas atenuantes, la coincidencia de impedancia y los circuitos de atenuación, no veo otras razones para una resistencia de entrada tan baja como 1 meg, ya que solo haría que la impedancia de entrada debido a la capacitancia sea aún más baja (y la coincidencia de impedancia la nave ya habría navegado a una impedancia de entrada de 1meg de todos modos).
hddh
Así que entiendo hasta ahora: la resistencia de entrada de 1 meg es preferible debido a: (a) circuitos de atenuación requeridos, (b) la impedancia de entrada está dominada por la capacitancia de todos modos, (c) hace que el diseño de la sonda atenuante sea más simple. La coincidencia de impedancia no parece ser una razón, ya que de todos modos bajaría a 50 ohmios en tales casos. Me hace preguntarme acerca de las impedancias de entrada del multímetro (normalmente 10meg), donde solo (a) parece aplicarse.
hddh
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Otro problema con las entradas de alta impedancia son los voltajes "fantasmas" cuando no están conectados a nada. Incluso a 10 meg esto puede ser notable a veces. Algunos multímetros de gama alta realmente tienen la opción de cambiar la resistencia de 10 megas, tengo acceso a dicho medidor, pero no creo haber sentido la necesidad de usar dicha función.
Peter Green
@PeterGreen vea si también puede desactivar la supresión de 50/60 Hz, y tiene un generador de números aleatorios en lugar de un voltímetro mientras no está conectado a algo.
rackandboneman
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Muchas cosas son como son debido a la historia y la estandarización de facto .

Una entrada de osciloscopio de uso general es un compromiso difícil entre no cargar el circuito, no ser dañado por un alto voltaje, tener un ruido razonablemente bajo y ser capaz de mantener un ancho de banda decente.

1Mohm en paralelo con 15pF a 30pF satisface a muchas personas para muchas aplicaciones. Hay pocos incentivos para que los fabricantes construyan un osciloscopio de uso general con una entrada diferente, para abordar pequeñas partes del mercado.

Cuando necesita un mejor ruido, o una entrada diferencial, o una impedancia de entrada más alta, entonces usa un preamplificador personalizado. Cuando necesite un ancho de banda más amplio, cambie a una impedancia de entrada de 50 ohmios.

Hay osciloscopios de propósito especial fabricados a precios altos que abordan aplicaciones de nicho.

Neil_UK
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Lo suficientemente justo. Entonces, ¿la impedancia de entrada (a un osciloscopio o medidor) no proviene de una resistencia real, sino de un circuito activo? (¿Estoy loco por no estar seguro de esto?) Me hace preguntarme cómo pueden controlarlo con precisión. Me pregunto si hay algún esquema de las etapas de entrada / front end de alcance flotando en Internet que pueda echar un vistazo.
hddh
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@hddh Todavía me parece sorprendente que no se pueda diseñar una etapa de entrada FET de ancho de banda suficiente. ¿Quién dice? Hay sondas FET con más de 1 GHz BW, por ejemplo: keysight.com/main/… Quizás lo que quieres decir es que lo quieres dentro del alcance. Eso podría hacerse, ¡pero sería inutilizable de esa manera! Necesita un cable para conectar su punto de prueba a su osciloscopio. Ese cable tiene capacitancia . El objetivo de la sonda FET es que tiene una baja capacitancia .
Bimpelrekkie
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Punteros: EEVBlog! También hay muchos esquemas que se pueden encontrar en los manuales de servicio de, por ejemplo, ámbitos Tektronix más antiguos. Claramente no puede ser un FET con una impedancia de entrada de 1Mohm (¿verdad?). No está mal , la impedancia de entrada se establece mediante una resistencia y luego (a menudo) se usa un amplificador FET para amplificar el voltaje a través de esa resistencia. El 1 M es necesario para tener una impedancia adecuadamente definida . Aquí está Dave ingeniería inversa del popular alcance Rigol DS1054Z: youtube.com/watch?v=lJVrTV_BeGg&t=989s Su diseño es típico de muchos ámbitos modernos
Bimpelrekkie
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Y aquí hay un manual de servicio de un telescopio analógico Tektronix 2215, tiene un diagrama de bloques y todos los circuitos. Sí, es un diseño antiguo, pero la etapa de entrada será muy similar a muchos ámbitos modernos: tek.com/manual/2215 para fines de estudio, esto es muy útil.
Bimpelrekkie
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¿La etapa de entrada ADC con FET no es factible se debe a la atenuación requerida antes de alcanzar el rango dinámico deseado? Sí, el rango dinámico es de hecho la respuesta. Un atenuador variable ayuda a llevar la señal a un rango apropiado tanto para el amplificador de entrada como para el ADC.
Bimpelrekkie
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En realidad, es ridículamente alto para una entrada de banda ancha.

No hay un conector o cable práctico que realmente tenga una impedancia (desde una vista de línea de transmisión. Resistencia, pero para cables coaxiales, placas de oro y plomería de guía de onda. Tipos de RF.) De 1 megaohmios, dejando la entrada completamente desajustada, lo que es peor, un condensador de 15-45pf a través de una entrada de 1 megaohmio (impedancia de línea de transmisión) no coincidiría con el olvido.

La razón por la que es 1 megaohmio es para admitir sondas estándar 10: 1, que de hecho no necesita sobrecargar el tipo de circuito que transporta señales de frecuencia de audio a alta impedancia y con alta compensación de CC (piense en los circuitos de tubos de vacío de audio, los diseños de la sonda son de solo esa era).

Sin embargo, una vez que esté lidiando con RF o circuitos digitales rápidos, la capacitancia paralela de la entrada del osciloscopio (que no puede hacer demasiado pequeña, de nuevo debido a las sondas, cables, conectores) dominará ... y traerá la resistencia de entrada real de esa entrada hasta 5 a 10 kiloohmios una vez que alcanzas un megahercio, 500 a 1000 ohmios una vez que alcanzas 10 megahercios. Llegue a VHF (sugerencia: los circuitos ACMOS o F-TTL son cosas de VHF incluso si no lo registra en VHF) y sería mejor con una entrada de 50 ohmios, ya que podría conectar un largo (dentro de lo razonable) de 50 ohmios cable y todavía tiene una entrada de 50 ohmios en el extremo del circuito, en lugar de una carga capacitiva aún mayor.

Con el tipo convencional de sonda y entrada, sobrecargará los circuitos de RF fácilmente. Los osciloscopios optimizados con RF tienden a tener entradas que se pueden cambiar a una impedancia de entrada de 50 ohmios (cualquier entrada de osciloscopio puede, con un terminador paralelo / directo), lo que es, curiosamente, MEJOR, ya que ahora puede usar sondas (por ejemplo, sondas Z0 o activas Sondas FET) que en realidad pueden hacerse para presentar impedancias de entrada efectiva mucho más altas en el punto de la sonda. O simplemente proporcione una conexión confiable de 50 Ohm a su circuito con cualquier cable RG58 viejo.

rackandboneman
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Si lo entiendo correctamente: ¿Estás diciendo que 1 megaohmio no ayuda con la coincidencia de impedancia, y sería mejor con entradas de 50 ohmios en esos casos? Entonces, si la nave de coincidencia de impedancia ha navegado con 1meg, ¿por qué es necesaria una baja impedancia de entrada de 1meg? La razón por la que me he reunido para esto de otras respuestas es que la circuitería de atenuación de entrada requerida hace que esto no sea factible. ¿Hay otras razones? (¿La capacitancia de entrada del alcance también es intencional como la 1meg, o es parásita? Es decir, ¿podría reducirse fácilmente?)
Hddh
@hddh fue parasitario una vez, entonces probablemente se volvió intencional :)
rackandboneman