为什么示波器输入阻抗如此之低?

电器工程 示波器 测量 探测 输入阻抗
2022-01-23 11:13:49

我的问题有两个:

输入阻抗从何而来?

我想知道您的普通万用表或示波器的输入阻抗来自哪里?它只是设备输入级(例如放大器或 ADC 输入级)的输入阻抗,还是实际电阻器的阻抗?如果是实际电阻器的阻抗,那为什么还有电阻器呢?为什么不只是输入电路?

我用数字万用表测量了示波器的输入阻抗。当示波器关闭时,DMM 测量到大约\$1.2\mathrm{M\Omega}\$然而,当示波器打开时,DMM 测量的非常精确\$1\mathrm{M\Omega}\$(我什至可以在示波器屏幕上看到 DMM 应用的 1V 测试输入!)。这向我表明,示波器的输入阻抗中涉及有源电路。如果这是真的,那么输入阻抗怎么能被如此精确地控制呢?根据我的理解,有源电路的输入阻抗在某种程度上取决于确切的晶体管特性。

为什么输入阻抗不能高很多?

为什么示波器的输入阻抗是标准的\$1\mathrm{M\Omega}\$为什么不能比这更高?FET输入级可以达到太欧级的输入阻抗!为什么有这么低的输入阻抗?

我想精确标准\$1\mathrm{M\Omega}\$的一个好处是它允许 10X 探头等,只有当示波器的输入阻抗不是不合理的大(比如一个 FET 输入级)。然而,即使示波器具有非常高的输入阻抗(例如,太欧),在我看来,只要在探头本身内部安装一个 10:1 分压器,您仍然可以拥有 10X 探头,示波器测量跨越\探头内部的$1\mathrm{M\Omega}\$电阻。如果它的输入阻抗达到太欧级别,这似乎是可行的。

我是否误解了示波器的输入电路?它比我想象的更复杂吗?您对此有何看法?

想到这个的原因是我最近一直在尝试测量发射极耦合差分对的共模输入阻抗,它比示波器输入阻抗大得多,所以我想知道为什么输入阻抗可以不要更大。

4个回答

我会说几个因素的组合。

  1. 示波器的输入级是一个困难的折衷方案。它们需要具有广泛的增益/衰减范围,它们需要能够容忍用户错误,并且它们需要通过高带宽。增加对非常高的直流电阻的要求只会使事情变得更加复杂。特别是需要处理示波器输入电平范围高端的衰减器,如果它们需要具有非常高的直流电阻,它们将变得更加复杂/敏感。
  2. 这是一个事实上的标准,更改为其他标准会导致与现有探针不兼容等。
  3. 反正不会有太大好处。

为了进一步解释第 3 点,在中等频率下(从几千赫兹以上),示波器输入的 1 兆欧直流电阻不是总输入阻抗的主要因素。主要因素是电容,电缆的贡献可能最大。

(事实上​​,在 UHF/微波频率下,将示波器输入阻抗降低到 50 ohm 是很常见的,因此电缆中的电感可以平衡电容,并且电缆成为适当匹配的传输线)

这意味着如果需要高输入阻抗,那么在探测点处理它比在示波器上处理要好得多。一般用途的成本/灵活性/输入阻抗的典型折衷方案是 x10 无源探头。

如果您需要非常高的直流电阻,那么解决方案是在示波器前面添加一个基于 FET 的放大器,最好尽可能靠近测量点。

由于历史和事实上的标准化,很多事情都是这样的。

通用示波器输入是在不加载电路、不被高压损坏、具有相当低的噪声以及能够保持良好带宽之间的艰难折衷。

1 MΩ 与 15 pF 至 30 pF 并联,满足了很多人的很多应用。制造商几乎没有动力构建具有不同输入的通用示波器来解决市场的小部分问题。

当您确实需要更好的噪声、差分输入或更高的输入阻抗时,您可以使用定制前置放大器。当您需要更宽的带宽时,您可以切换到 50 欧姆的输入阻抗。

有一些以高价制造的专用示波器确实可以解决利基应用。

实际上,对于宽带输入来说,它高得离谱。

没有实际的连接器或电缆实际上具有 1 兆欧的阻抗(从传输线的角度来看。电阻,但对于同轴电缆、镀金器和波导管道工。RF 伙计。),使输入完全不匹配 - 更糟糕的是,跨 1 兆欧(传输线阻抗)输入的 15-45pf 电容器会使它不匹配而被遗忘。

它是 1 兆欧的原因是为了支持标准的 10:1 探头,您确实需要不使携带高阻抗和高直流偏移的音频信号的电路过载(想想音频真空管电路,探头设计来自只是那个时代)。

但是,一旦您处理 RF 或快速数字电路,示波器输入的并联电容(不能太小,同样是因为探头、电缆、连接器)将占主导地位……并带来实际的输入电阻一旦达到 1 兆赫兹,该输入将下降到 5 到 10 千欧,一旦达到 10 兆赫兹,则下降到 500 到 1000 欧姆。达到 VHF(提示:ACMOS 或 F-TTL 电路是 VHF 的东西,即使你没有在 VHF 上计时)并且你最好使用匹配的 50 欧姆输入,因为你可以连接一个(在合理范围内)长的 50 欧姆电缆并且在电路端仍然有一个 50 欧姆的输入,而不是更大的电容负担。

使用传统类型的探头和输入,您很容易使射频电路过载。RF 优化示波器的输入往往可以切换到 50 欧姆输入阻抗(任何示波器输入都可以,带有并行/直通端接器)——有趣的是,这更适合,因为现在您可以使用探头(例如 Z0 探头或有源探头) FET 探头)实际上可以在探头点呈现更高的有效输入阻抗。或者只需使用任何旧的 RG58 电缆为您的电路提供可靠的 50 欧姆连接。

附录,从 DC 的角度来看,也关于万用表:

有些台式万用表/电压表的直流输入电阻要高得多(但射频输入阻抗并不高)。使用这样的设备实际上会令“普通”用户非常困惑(对于从事房屋布线、车辆、机械而不是组件级电子项目的人来说肯定会感到困惑):当测试引线没有连接或连接到开路,测试引线、输入电路等中的任何电容都将被附近的任何电场充电,导致显示完全随机值而不是零伏(尝试使用 100GOhm 输入电阻台式万用表,您会看到只是这些效果在实践中......)。

此外,具有太欧输入电阻的设备需要非常坚固耐用,以防静电,因为它不仅可以固有地消散环境中容易发现的潜在数千伏的电荷 - 并且可靠地不会引入 ESD 保护电路泄漏电阻甚至更糟糕的泄漏电流吸收会损害高输入电阻似乎很难制造......

顺便说一句,此外,大多数手动万用表(并非所有台式万用表都这样做)使用非常复杂的技巧(例如,使用与其销售地区的电源频率相关的 ADC 时钟)将电源嗡嗡声从结果中滤除,否则即使在“低” 1MOhm 或 10MOhm 时也会再次导致不稳定和随机的结果(比较开路示波器探头......但是,在 DMM 上,存在更多误解的可能性)。