仅50元的50MHz高压差分探头（电路开源）

adminismk · 发表于 2024-4-30 12:37:43

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本帖最后由 adminismk 于 2024-5-7 16:55 编辑

立创开源社区：50MHz高压差分探头

简介：
你还在为囊中羞涩买不起高压差分探头而烦恼吗？

你还在为高压差分探头的可靠性而担忧吗？

这都不是问题，纯国产方案的差分探头，它来了，它带着极致的性价比走来了！

物料成本超低，仅50人民币不到！！！！！

项目特点：

本期将采用全国产器件的来制作一个1200V高耐压输入的差分探头
该探头将实现锂电池供电与type C双电源使用，支持便携式使用。支持电源路径管理
采用的核心运放是来自圣邦微的SGM8061，一颗轨到轨的CMOS工艺的500MHz带宽的高速运放放大器
锂电池充电管理芯片使用常见的TP4057，一颗线性充电芯片，设计充电电流为220mA
隔离变换供电芯片是来自源特科技的VPS8702，采用全桥架构，外围精简，能提供最大1W的输出功率
高压输入采用2mm的香蕉头连接器，信号输出采用的是SMA内孔连接器，可快速拆卸线缆设计
体积小巧，性能强大，支持电池供电使用，支持快速拆装线缆，PCB尺寸为35mm*100mm

设计要求：

所有物料要求是国内的厂商
拥有50X与500X双增益档位切换
支持锂电池供电，支持边充边用，电源路径管理功能
共模抑制要求尽可能的高，以应对工频干扰
所有物料方便好买，物美价廉

技术指标：

电源输入：4.8V~5.5V，使用type C接口供电
电池电压：满电电压4.2V，过放电压由锂电池保护板限制
50X增益带宽≥5MHz，500X增益带宽≥50MHz
输入电压要求≥800V且不击穿。

原理图简述：
1. 充电与路径管理与电压指示

使用D2将type C输入电源分割成为两个电源域为路径管理行方便
加入了PD握手识别电阻，支持PD供电头使用
右手边的LED灯通过分压电阻进行控制，用于电源指示与电池电量指示
其最低亮灯电压为3.5V（很暗），该功能聊胜于无吧，能简易指示电池有无电量

2. 电池充电与简易路径管理

采用最便宜的TP4057芯片，厂商任选，成本极低，功能完善
而电源路径管理没有找到合适的芯片，又或者是芯片太贵。只能手动切换电源路径控制
在使用电池供电，且按键按下的时候，将拉低Q2，Q3的栅极电压使其导通，让其正常工作
其二极管D5是为了防止电流倒灌，避免被VPS8702拉低影响该开关电路的工作
在使用电源供电时，由VBUS电压经过D5强制拉高Q2，Q3栅极电压，禁止在外接供电时充电
避免的5V供电直接对电池进行充电，实现这个操作的前提是D2这个二极管，这个二极管要求是压差低
压差太大的二极管会导致实际到达TP4057的电压低，会造成充电电流低等问题

3. 隔离变换供电与稳压滤波
市面上各种隔离电压模块很常见，但是体积很大，不符合我的要求

芯片厂商是苏洲的源特科技，主攻微功率的电源变换芯片，项目采用的是VPS8702，SOT23-6封装
变压器采用的是EPC10，该变压器功率容量最大3W。对于这种场合完全不在话下
由于应用对象是运放，需要双电源供电，将两个肖特基二极管并联为了降低压差
增加RC串联电路以此降低反向恢复尖峰，降低电源纹波，降低EMI干扰
U14电容跨接在两个电源的地平面上，为变压器的高频干扰提供一个回流路径

经过电容滤波的纹波高达30mVpp，还是不满足要求，需要经过磁珠的二次滤波
磁珠规格采用的是2KΩ@100MHz，电流200mA，其中最重要的是后面的两个稳压电阻。
后端电路需要消耗一定的电流，使其磁珠产生压差才能让磁珠工作，经过磁珠之后，纹波降低到10mVpp了
这个纹波完全可以接受，在经过LDO滤波还能降的更低。

正电源的LDO采用的是微盟的ME6211C25M5G-N，是一颗固定2.5V输出的LDO，其PSRR=70dB@1kHz
这个物料的纹波与SGM2209ADJ一样，平滑无毛刺

原本选用的是SGM2019ADJ，但是它的纹波与数据手册完全不符，买了三次完全测得的纹波都一个鸟样
之前怀疑是买到假货了，就去三个不同的店铺去买，还委托供应商拿了些样品回来测试，都一样
不知道是不是批次问题，还是什么的，无解，只能换微盟的LDO

下图这个是SGM2209ADJ的LDO，圣邦微一款负压LDO，也是国内唯一能找到的高参数的LDO
其PSRR=75dB@1KHz，国内算得上是很优秀的负压LDO了，我在国内其他厂商里面都没有找到负压的
真的是一枝独秀啊，虽然价格很昂贵，但好歹买得到。换做TI的物料，价格翻了十几倍不止呢
纹波表现可比SGM2019ADJ亮眼的太多了，平滑无毛刺

电源处理到此结束了，供给给运放的电源电压是±2.5V，纹波是≤5mVpp的
受限于示波器底噪，高频变压器的磁干扰，不然应该是能达到手册上描述的50uV的纹波

4. 电压衰减电路与放大器
一个1206电阻的耐压是200V，使用多个进行串联以提高耐压，并联在电阻上的电容是进行相位补偿的
衰减网络设计为500:1，可以兼容市面上大多数高压差分探头，方便使用
由于电阻的精度不能完全满足运放的共模抑制要求，所以需要一个可调电阻进行微调到合适的值
但由于运放失调电压的存在，共模抑制调整好了，可能运放的输出轨道会偏，所设计了一个轨偏置电路
信号处理电路的最后在加上二极管进行钳位，避免大电压冲击运放

运放采用的是SGM8091，为sot23-5封装的单通道500MHz高速运放，采用CMOS工艺，是电压反馈型运放
该运放的价格低廉，且性能强悍，是目前国内最强的运放了，其次是GS8091，带宽是350MHz
使用三个高速运放组成仪表放大器，使其具有超高的共模抑制比，高精度输出

但是不可避免的是，该运放的输入失调电压真的是太大了，会导致在50X增益时的轨道偏移
我实际贴出来的板子，上面的402欧电阻用的是0.1%精度的，都挽救不了这种情况

U15，U17运放组成同向放大器，在断开模拟开关时，增益为1，接通模拟开关时，增益为10
由于是电压反馈型运放，所需的反馈电阻较大，同时对布线较为敏感，容易自激振荡
所以加上了一个前馈电容，虽然稳住了环路，但是也降低了带宽，实属无奈之举

根据运放的数据表格，可以看到，在输出增益为+10的时候，带宽是非常低的，只有不到10MHz
再加上前馈电容的影响，实际上还到不了10MHz

最后的一级运放是作为输出级使用的，一个简单的差分转单端输出，输出端接了一个隔离电路
这其实也是一个RC低通滤波器电路，避免运放负反馈环路与输出干扰，-3dB带宽是106MHz
运放的负反馈上的那个前馈电容主要功能是调整方波信号过冲问题，副作用是带宽会降低

模拟开关是来自上海的贝岭BL1551B，最大导通频率是300MHz，寄生电容约5pF，略大了

5. 过压检测与告警电路
这个功能也是心血来潮加上去的，将TL432当作比较器使用，在低带宽的情况下响应是没问题的
但工作频率增加之后，光耦是来不及响应的，会导致在高频信号下，功能属于残废状态
不过对于一些低频的开关电源来说也是勉强够用的，这属于低成本的过压检测
高级一点是使用高速比较器+计时器进行检测与告警，不过电路复杂成本高

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PCB仿真图

成品实物图

细节部分

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调试经验分享：
主要调试是在运放部分，其他的电路已经由我调整验证完了

1. 第一步先调试共模抑制旋钮，需要先把正负输入的引脚短接了，
然后将其共同接到其他设备的外壳上此时会出现一个50HZ的工频信号（其他设备外壳不能接地，否则是没有的）
有条件的可以用信号源产生，调整示波器到1X衰减，直流耦合状态，调整到50ms时基，2mV的垂直档位
逐渐的旋转微调旋钮，直到工频信号消失
这个时候信号轨道还是会偏移的，就需要调整另外一个旋钮了，使其调整到接近0V上
这个是500X增益时最终的效果，由于失调电压的存在，还是存在一些微小的波动的
新建文件13.png

这个是50X增益时的效果图，可以看得见，电压轨道偏移的厉害，而且共模抑制较差，波动很大
此时再调整轨道偏移也没什么意义了，因为失调电压的存在导致两者不能完全兼容
新建文件15.png

虽然有点缺陷，但是输出噪声水平已经接近了麦科信的100MHz高压差分探头的水准了

2.第二步是波形补偿调整，用信号发生器产生一个100KHz的方波信号，幅值为10Vpp的方波信号
先将信号正接，逐渐调整到最佳补偿，然后去调试负信号的补偿
直到两个信号补偿如下图所示，此时信号补偿调试完成

3. 接下来调试50X增益时的放大倍数
用信号发生器产生一个100KHz的方波信号，幅值为10Vpp的方波信号
将示波器衰减调整为50X，将差分探头也调整为50X，逐渐旋转微调电位器，直到Vpp与信号发生器相等
信号发生器的幅值最低不要低于5Vpp，要不然经过500X衰减网络之后可能只剩下噪声了
建议选择交流耦合，这样子可以避免直流偏置的影响，此时信号衰减补偿都调试完成，可以正常使用了

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50X性能指标测试：
这个就不测正弦波了，没什么意义，反正带宽也不大，直接测试方波了
单独测试吧，避免被麦科信虐的太惨，实际-3dB带宽接近5.5MHz，这个主要是受限于运放带宽，压摆率，建立时间
使用信号源输出方波信号，幅值为5Vpp，逐渐增加到其失真无法保持
新建文件1.png

500X正弦波性能指标测试：
黄色是麦科信的100MHz高压差分探头，蓝色是我制作的高压差分探头，统一使用500X衰减
使用信号源输出10MHz~60MHz，幅值为10Vpp的正弦波，可以看到我制作的差分探头-3dB带宽是50MHz
在50MHz时的相位延迟是8nS，相位差是142.6度，这个是可能是由运放的C35电容引起的，也可能是运放本身的原因
新建文件1.png

500X方波性能指标测试：
使用信号源输出1MHz~10MHz，幅值为10Vpp的方波，使用500X衰减
黄色是麦科信的100MHz高压差分探头，蓝色是我制作的高压差分探头，统一使用500X衰减

这个是调试的最优环路，不保证其他参数的指标，运放输出的过冲很大，使用C35进行相位补偿，同时R47与C44组成隔离
可以避免过冲对测量结果的影响，实际上，增加了C35也降低了系统带宽，R47与C44同时也是个RC滤波器
随着方波频率的增加，相位差会增加，在10MHz方波下，延迟为5.6nS，相位差是20.20度
新建文件1.png

上升沿性能测试：
使用信号源输出1MHz~6MHz，幅值为10Vpp的方波，使用500X衰减
黄色是麦科信的100MHz高压差分探头，蓝色是我制作的高压差分探头，统一使用500X衰减
在6MHz的方波下可以看到相位延迟是5.9nS，麦科信100MHz的上升时间为4.9nS，我的为6.1nS
新建文件1.png

扫频测试：
使用信号源输出100KHz~60MHz，扫描时间20秒，幅值为10Vpp的方波，使用500X衰减
黄色是麦科信的100MHz高压差分探头，蓝色是我制作的高压差分探头，统一使用500X衰减
正接信号输入，扫频曲线如下所示：
新建文件1.png

反接信号输入，扫频信号如下所示
在约25MHz处发生了衰减，导致信号输出幅值降低
新建文件3.png

通过性测试：
使用信号发生器产生一个1MHz，5Vpp的方波信号，打开示波器的通过测试，然后创建规则
将差分探头调整为50X衰减下开始测试
测试结果还是挺乐观的，几率低只能说明抖动不大，但实际上加载信号上是很明显的
在长时间的扫描下，结果依然不是很乐观，顶峰与底峰有明显的波动
新建文件7.png