Активний щуп для осцилографа FNIRSI

Сразу почну з головного: це щуп для осциллографа FNIRSI, і налаштовувався він саме на FNIRSI, і я не маю жодного уявлення, чи буде він працювати з іншими осцилографами.

FNIRSI я купив не з хорошого життя. З одного боку, у мене немає потреби в дорогому апараті, з іншого боку, через проблеми із зором, маленькі екрани мені не підходять. Тобто мені був потрібен недорогий осцилограф з великим екраном. В ці умови підходила одна єдина модель - FNIRSI1013D

Через деякий час експлуатації я виявив, що, по-перше, у цього осцилографа досить велика вхідна ємність, по-друге, низька чутливість. При зниженні вхідного сигналу нижче 30 мілівольт картинка зникала, замінюючись прямою лінією.

Природно, одразу ж виникла думка зібрати активний щуп з малою вхідною ємністю та забезпечити підсилення хоча б у три рази (в ідеалі - у 10). Оскільки мої інтереси лежать у сфері коротких хвиль, мені був потрібен щуп, що забезпечує більш-менш лінійну характеристику на частотах від 400 кГц до 30 МГц. Також для мене було принциповим, щоб щуп живився від батарейки.

Я провів активні пошуки в інтернеті і зібрав кілька схем на макетній платі. Фактично непридатними для використання виявилися всі. У деяких схем транзистори заганялися в режим великого споживання току. Наприклад, у найвідомішій схемі на BF998 транзистор споживає 30 міліампер, а це його граничне навантаження. Деякі схеми давали дуже нелінійну АЧХ. У деяких схем АЧХ була підходящою, але дуже сильно змінювалася в залежності від напруги живлення. Тобто, ось дуже сильно - 0.1 вольта туди, 0.1 вольта сюди, і - все уповзло. А навіть інтегральні стабілізатори трохи змінюють вихідну напругу в залежності від вхідної. Якраз у межах кількох десятих вольта. Параметричний стабілізатор на стабілітроні може "гуляти" до півволта. І майже всі, представлені в інтернеті, схеми активних щупів мають коефіцієнт підсилення в районі одиниці, а то й негативний, про що автори чесно попереджають. Викликала інтерес схема на зарубіжному широкосмуговому операційному підсилювачі, але ціна цієї мікросхеми співмірна з ціною осцилографа.

В результаті довелося намагатися щось винайти самому. Результат експериментів представлений на схемі.

Від стокового або емітерного повторювача на вході довелося відмовитися, оскільки РАПТОВО з'ясувалося, що у стокових/емітерних повторювачів існує завал по низьким частотам, і це - нормально.
Усі схеми з стоковими повторювачами на вході давали дивовижну, лінійну АЧХ... з провалом нижче 1 МГц. Схеми з загальним стоком, навпаки, піднімали низи й "падали" до верхів. Проблему вдалося вирішити схемою з загальним стоком і динамічною навантаженням. Динамічну навантаження можна зробити і на NPN транзисторі (колектор на плюс) і на PNP транзисторі (емітер на плюс). PNP дає кращі результати.

Городити підсилювач "на розсипуху" не хотілося, тому я озаботився пошуком широкосмугової мікросхеми, яка при цьому не коштувала б дорожче осцилографа. Я знаходив внутрішні схеми мікросхем-підсилювачів радіочастот і намагався оцінити, чи можна їх використовувати для моєї задачі - тобто широкосмуговий підсилювач без коливальних контурів на вході та виході. За підсумками пошуку я придбав кілька мікросхем і прогнав їх на макетці. Неочікувано, одна з них дала просто чудовий результат.

Тут хотілося б зробити ліричне відступлення і розповісти про цю мікросхему, тому що в інтернеті про неї інформації практично немає, тільки скан паспорта, і в тому - помилка (невірно вказаний номер виводу живлення). Вже тільки те, що завдяки всій цій історії я "відкрив для себе" цю мікросхему окупило всі зусилля. Ітак, к174УР10. Ціна в різних магазинах від 40 до 100 гривень (на 2023 рік). Мікросхема являє собою компенсуючий підсилювач проміжної частоти. Призначена для підсилення сигналів проміжних частот зображення та звуку, компенсації ослаблення сигналу в фільтрах сконцентрованої селекції. Всередині - диференціальний підсилювач, підпертий токовим дзеркалом та з емітерними повторювачами на виході. Заявлена смуга пропускання - до 60-ти мегагерц. Мінімальне навантаження - 200 Ом. Один вхід і два виходи - інвертуючий та неінвертуючий.

Типове включення не потребує додаткових деталей, крім вхідного конденсатора, все - всередині. Дуже шкода, що у цієї мікросхеми немає проміжних виходів до емітерних повторювачів, якби були, то цю мікросхему сміливо можна було б віднести до категорії "вещі віку". Мікросхема ідеальна в якості буферного підсилювача високої частоти. Тобто її можна використовувати в будь-якому місці приймача - в УВЧ, в УПЧ, в АРУ, в ГПД і т.д. Звісно, через емітерні повторювачі, неможливо підключити коливальний контур з виходів на землю або на плюс живлення. Але контур цілком можна включити між виходами, просто контур повинен бути трансформаторного типу, тобто - подвійний. Одинарний або автотрансформаторного типу, на жаль - ніяк. Ну а з п'єзокерамічними фільтрами вона взагалі буде працювати ідеально, оскільки для них і створювалася. Можливо, вдасться побудувати на базі цієї мікросхеми генератор, ще не пробував, але спробую обов'язково. Фактично, можна зробити високочастотний тракт приймача на одних тільки к174УР10, крім змішувача.

Я довго експериментував на макетці, контролюючи результат на осцилографі та NanoVNA. Порой, коли теоретичних знань не вистачало, робив зміни в режимі "а що буде, якщо ?"

За підсумками вийшла схема з АЧХ у вигляді дуги. На низах спад підсилення через емітерні повторювачі мікросхеми, на верхах - втрати на кабелі. Тим не менш, на низах і верхах загальний коефіцієнт підсилення схеми близько 4-х, а в середині - близько 6-ти, що в принципі мене влаштовує. Тепер я цілком бачу на екрані мого FNIRSI сигнали амплітудою 5 мілівольт, не вносячи, при цьому, спотворень в вимірювальну схему, що вже непогано.

По схемі:
R1 - стандартне рішення - опір витоку затвора.
R2-С2 задують АЧХ першого каскаду
Дросель L1 перешкоджає "втечі" токів високої частоти через живлення. Можна використовувати готовий фабричний дросель, поки я гоняв схему на макетці я так і робив. Потім намотав 22 витка на феритовому кільці. Індуктивність перевіряв за допомогою LCR-тестера і NanoVNA. R4 знижує добротність дроселя, виключаючи резонанс на якійсь одній конкретній частоті. Ланцюг R5-C6 трохи ослабляє підсилення на середині АЧХ. Якщо зменшити R5, то підсилення починає падати на всій протяжності АЧХ. Оскільки перший каскад інвертує сигнал, корисний сигнал знімається з інвертуючого виходу мікросхеми (мінус на мінус дає плюс). R9 підібраний за кращою АЧХ без спотворення сигналу. Чим більше R9, тим рівніше АЧХ, але на високих частотах сигнал починає спотворюватися. R8 - страховка від самовозбуждення емітерного повторювача. На неінвертуючий вихід підключений дільник R6-R7, з якого, через конденсатор C5 знімається сигнал ООС, знову ж таки для запобігання самовозбуждення. Значення R6-R7 вибрані так, щоб загальний опір був рівний R9 для рівномірного навантаження обох виходів. Співвідношення з'ясовано експериментально і дорівнює 40% на 60% від загального опору.

Особливо ретельно треба підбирати R2. У нього пара Ом туди, пара Ом сюди - змінюють багато чого. У мене в процесі експериментів з підстроювальним резистором вийшло 70 Ом. Я перебрав усі свої запаси резисторів на 68 Ом і на 75 Ом, перевіряючи їх мультиметром, поки не знайшов резистор 70.5 Ома.
Як варіант можна просто впаяти підстроювальник на 100 Ом.

Точно так же підбиралися R6, хоча, підозрюю, що це вже - надмірність і можна застосувати стандартний номінал 8.2 ком. Але я, на всякий випадок, підібрав.

В якості Q1 я пробував КП306 КП350 J310 і BF998. Працюють всі, але найкращий результат дав BF998. В якості Q2 я пробував КТ361 КТ337 КТ3126. Працюють всі, але найкращий результат дав КТ337. Як показала практика, КТ337 сильно відрізняються навіть в межах однієї букви, добре, що купив десяток. Було з чого вибрати.

Схема живиться від 9-ти вольт і зберігає працездатність при зниженні напруги живлення до 7-ми вольт. Споживання - 25 міліампер.

Різні кабелі дають різні втрати на високих частотах. Передбачувано, найкращим виявився РК-50 виробництва СРСР. На другому місці РК-50 російського виробництва. Китайський кабель не вартий витрачених на нього грошей і часу.

Ще раз зазначаю, що це щуп для осциллографа FNIRSI і налаштовувався він саме на FNIRSI, і я не маю жодного уявлення, чи буде він працювати з іншими осцилографами.

Lay6 плати додаю.