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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Differentialtastkopf bei hoher Frequenz


Autor: Robert (Gast)
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Hallo zusammen,

ich möchte einen Differentialtastkopf bauen, er bis 1 GHz brauchbar ist. 
Wenn es nicht differentiell sein muss ist 1 GHz mit einem Sourcefolger 
leicht möglich. Wo liegen die Schwierigkeiten beim Aufbau eines 
entsprechend schnellen differentiellen Tastkopfes?
Kennt jemand eine Seite wo sowas schonmal gemacht wurde? Lässt sich 
sowas nicht eventuell mit schnellen OPAMPSs realisieren?

Autor: Nice to have (Gast)
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Robert schrieb:
> Wenn es nicht differentiell sein muss ist 1 GHz mit einem Sourcefolger
> leicht möglich.

Wenn das so leicht ist, dann sei doch so nett und lass mal eine 
Schaltplan samt Bilder vom Aufbau und ggf. Layout rüberwachsen.
Wären Dir bestimmt einige dankbar.

Autor: Robert (Gast)
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Nice to have schrieb:
> Robert schrieb:
>> Wenn es nicht differentiell sein muss ist 1 GHz mit einem Sourcefolger
>> leicht möglich.
>
> Wenn das so leicht ist, dann sei doch so nett und lass mal eine
> Schaltplan samt Bilder vom Aufbau und ggf. Layout rüberwachsen.
> Wären Dir bestimmt einige dankbar.

Siehe Elektor 10/2004. :-)

Autor: Johannes (Gast)
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> Lässt sich sowas nicht eventuell mit schnellen OPAMPSs realisieren?

Was sind denn die angestrebten Spezifikationen, also Messbereich, 
Eingangswiderstand, Kapazität, ...

Es gibt schon schnelle OPs mit mehr 1 GHz Bandbreite. Du könntest es mal 
mit dem AD8003 testen, das ist ein 3-Fach Operationsverstärker. 2 davon 
als Spannungfolger beschalten und den 3. als Differenz-Verstärker. Das 
sind aber "Current-Feedback" OPs, die sind nicht wirklich für Anfänger 
geeignet.

Das ganze wird mit Sicherheit nicht einfach, da brauchst Du schon etwas 
Ausdauer und gutes Mess-Equipment, schau dir mal das Projekt von 
Branadic an: Beitrag "Eigenbautastköpfe"

Aber vielleicht sind 500 MHz auch ausreichend; das sollte mit modernen 
OPs schon irgendwie gehen.

Autor: Johannes (Gast)
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> und den 3. als Differenz-Verstärker.

Das war natürlich Blödsinn, mit einem Current-Feedback OPV kann man 
keinen Differenzverstärker bauen. Also doch eher einen Voltage-Feedback 
OPV suchen.

Überleg Dir am besten zuerst mal, was du damit eigentlich messen 
möchtest; sehr viele Messungen kann man auch mit zwei schnellen aktiven 
Tastköpfen und der Differenz-Funktion im Oszi machen.

Ein Differenz-Tastkopf lohnt meiner Meinung nach nur, wenn die Amplitude 
des zu messenden Signals klein gegenüber der Common-Mode Spannung ist 
und die Gleichtakt-Unterdrückung des Differenz-Tastkopfs besser ist als 
bei Verwendung von 2 separaten Tastköpfen.

Sinnvoll wäre vielleicht ein Differenz-Tastkopf mit Verstärkung 10, so 
dass man sehr kleine Signale messen kann mit Common-Mode Spannungen im 
Bereich von einigen Volt, z.B. für Strommessung an einem 
Shunt-Widerstand. Aber da wird man mit OPs niemals auf 1 GHz kommen.

Autor: Robert (Gast)
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Ich habe vergessen zu erwähnen, dass leider auch Gleichspannung gemessen 
werden können muss.
Aus dem Grund würden sich OPs anbieten. Ich verstehe nicht warum man mit 
current feedback OPVs keinen Differenzverstärker bauen können soll. Ich 
habe mal versucht in Spice mit dem Modell des AD8000 zu spielen aber 
leider funktioniert da irgendwas noch nicht. Es gibt keine vernünftigen 
Ergebnisse.

Kennt vielleicht jemand einen voltage feedback OPV der 1 GHz bei G=1 
macht?

Danke.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Aus dem Grund würden sich OPs anbieten. Ich verstehe nicht warum man mit
>current feedback OPVs keinen Differenzverstärker bauen können soll.

Sind die nicht teilweise extrem niederohmig am "-" Eingang?

Kai Klaas

Autor: Robert (Gast)
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Ja, aber mit 2 Stück würde es imho gehen.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Ja, aber mit 2 Stück würde es imho gehen.

Klar, solange du den "+" Eingang niederohmig beschaltest. Die Dinger 
sind ja für die 50/75R-Technik gebaut. Allzu hochohmig sollte es da an 
den Eingängen deshalb nicht zugehen.

Kai Klaas

Autor: Johannes (Gast)
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> Klar, solange du den "+" Eingang niederohmig beschaltest.

Das Problem ist doch eher, dass sich der "+" und der "-" Eingang in der 
Impedanz sehr stark unterscheiden. Auch mit einer niederohmigen 
Beschaltung entstehen dadurch irgendwelche Störungen, die sich dann vor 
allem in der Gleichtaktunterdrückung auswirken.

Autor: Robert (Gast)
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Niederohmig beschalten geht leider nicht. Der Sinn der Sache ist ja so 
hochohmig und kapazitätsarm wie möglich zu messen. Ich dachte nur der - 
Eingang sei ein Stromeingang und damit niederohmig. Ich ging dann davon 
aus, dass der + Eingang hochohmig ist. Dann hätte man ja die + Eingänge 
für das Signal nutzen können und die Rückkopplung über den - Eingang.

Hat vielleicht sonst noch einer Ideen zu den Anforderungen:
- DC messen
- AC bis 1 GHz
- hohe Eingangsimpedanz
- differentielle Messung

Autor: Robert (Gast)
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Johannes schrieb:
>> Klar, solange du den "+" Eingang niederohmig beschaltest.
>
> Das Problem ist doch eher, dass sich der "+" und der "-" Eingang in der
> Impedanz sehr stark unterscheiden. Auch mit einer niederohmigen
> Beschaltung entstehen dadurch irgendwelche Störungen, die sich dann vor
> allem in der Gleichtaktunterdrückung auswirken.

Das lässt sich aber imho umgehen indem man zwei als 
Instrumentenverstärker beschaltet.

Autor: Johannes (Gast)
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> Hat vielleicht sonst noch einer Ideen zu den Anforderungen:
> - DC messen
Bis wie viel Volt?

> - AC bis 1 GHz
DC ?

> - hohe Eingangsimpedanz
Wie hoch?

> - differentielle Messung
Wie viel Signal, wie viel Gleichtakt?

> Das lässt sich aber imho umgehen indem man zwei als
> Instrumentenverstärker beschaltet.

Wie meinst Du das? Mach mal eine Zeichnung.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Niederohmig beschalten geht leider nicht. Der Sinn der Sache ist ja so
>hochohmig und kapazitätsarm wie möglich zu messen. Ich dachte nur der -
>Eingang sei ein Stromeingang und damit niederohmig. Ich ging dann davon
>aus, dass der + Eingang hochohmig ist.

Ist er ja auch. Aber da fließen trotzdem beachtliche Eingangsruheströme 
bei den bipolaren Typen, die immer einen Pfad zur Masse brauchen. Machst 
du da einen hochohmigen Ableitwiderstand hin, bekommst du schnell 
DC-Spannungsabfälle von etlichen 100mV. In der 50/75R-Technik ist das 
wegen der Niederohmigkeit ja kein Problem. Wenn du aber besonders 
hochohimg fahren willst, schon.

>> Das lässt sich aber imho umgehen indem man zwei als
>> Instrumentenverstärker beschaltet.
>
>Wie meinst Du das? Mach mal eine Zeichnung.

Die typische Standardschaltung aus zwei bzw. drei OPamps eben.

Kai Klaas

Autor: Johannes (Gast)
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> Die typische Standardschaltung aus zwei bzw. drei OPamps eben.

Die Standardschaltung kenne ich schon, aber das ändert doch nichts an 
der Problematik mit den unterschiedlichen Impedanzen?

Autor: Robert (Gast)
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Johannes schrieb:
>> Hat vielleicht sonst noch einer Ideen zu den Anforderungen:
>> - DC messen
> Bis wie viel Volt?

Mehr oder weniger egal. Pegel spielt keine sehr große Rolle. Das könnte 
man runterteilen.

>> - AC bis 1 GHz
> DC ?

Verstehe die Frage nicht. Es geht um DC - 1GHz.

>> - hohe Eingangsimpedanz
> Wie hoch?

1 MOhm parallel 1 pF

>> - differentielle Messung
> Wie viel Signal, wie viel Gleichtakt?

Beides im niedrigen Volt Bereich.

>> Das lässt sich aber imho umgehen indem man zwei als
>> Instrumentenverstärker beschaltet.
>
> Wie meinst Du das? Mach mal eine Zeichnung.

So wie hier auf Seite 2:
http://cds.linear.com/docs/Design%20Note/dn46fa.pdf

Autor: Johannes (Gast)
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>> Bis wie viel Volt?

> Mehr oder weniger egal. Pegel spielt keine sehr große Rolle. Das könnte
> man runterteilen.

Also egal ist keine gute Antwort. Du musst doch irgend eine Anwendung 
haben, für die du den Tastkopf brauchst.

>>> - differentielle Messung
>> Wie viel Signal, wie viel Gleichtakt?
>Beides im niedrigen Volt Bereich.

Aus dieser Antwort würde ich schließen, dass die differentielle Spannung 
im Verhältnis zur Gleichtaktspannung nicht besonders klein ist. In 
diesem Fall wird eine Mesung mit 2 aktiven Tastköpfen und 
Differenzbildung im Oszi vermutlich auch ganz gut funktionieren.

Oder spricht aus deiner Sicht etwas dagegen, mit 2 Tastköpfen zu messen.

> So wie hier auf Seite 2:
> http://cds.linear.com/docs/Design%20Note/dn46fa.pdf

OK, das Problem mit dem invertierenden Eingang hat man hier nicht.

Dafür bekommst Du ein Laufzeitproblem, weil das Signal am "-" - Eingang 
durch zwei Verstärkerstufen läuft, während das Signal am "+" - Eingang 
nur einmal verwögert wird. Bei 1 GHz Bandbreite muss eine solche 
Asymmetrie auf jeden Fall vermieden werden, sonst bekommt du eine sehr 
schlechte Gleichtaktunterdrückung für hohe Frequenzen.

Autor: Robert (Gast)
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Die ganzen Operationsverstärker haben zu viel Eingangskapazität. 3.6 pF 
beim AD8000 haben bei 1 GHz einfach eine zu niedrige Impedanz.
Angenommen ich möchte nicht differentiell messen, was würdet ihr mir 
dann empfehlen um DC -  1 GHz hochohmig zu messen.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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DG-FET BF998 oder so.

Autor: Johannes (Gast)
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> Die ganzen Operationsverstärker haben zu viel Eingangskapazität.

Ohne einen Eingangsspannungteiler (z.B. 1:10 oder 1:5) wird es mit einem 
OPV nicht funktieren. Wenn der OPV 3,6 pF hat, dann erhält man mit einem 
1:10 Spannungsteiler theoretisch < 0.5 pF.

Das Problem mit dem AD8000 ist aber der Input Bias Current im Bereich 
von 5 µA, da könnte es mit 1 MOHm Eingangswiderstand problematisch 
werden. Aber wenn du nur kleine Spannungen messen möchtest, wäre ein 
Eingangswiderstand von 100 kOhm vermutlich auch noch hochohmig genug.

Oberhalb von 10 MHz merkst Du den Unterschied sowieso nicht mehr, weil 
da die Impedanz durch die Eingangskapazität bestimmt wird.

Hast Du dir den Thread "Beitrag "Eigenbautastköpfe"; mal 
durchgelesen. Das solltest Du machen, du wirst darin viele nützliche 
Infos finden. Evtl. kann man die Schaltung übernehmen, nur eben die 
Widerstände am Eingang niederohmiger machen und den OP durch einen 
schnelleren Current-Feedback OPV ersetzen. Du wirst zusätzlich noch 
einen Offset-Abgleich brauchen (Trimmer), um den Bias-Strom zu 
kompensieren.

Autor: branadic (Gast)
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Hallo Robert,

ich wollte mal horchen, ob du schon voran gekommen bist oder ob du 
aufgegeben hast? Wäre ja nicht der erste Thread zu Tastköpfen wo es dann 
an der Umsetzung scheitert.

Gruß, branadic

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