仅50元的50MHz高压差分探头（电路开源）

adminismk

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

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

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


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



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


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


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：

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


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

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总结：又不是不能用，要什么自行车

不想打样变压器的，可以用9*5*3的铁氧体磁环绕一个，电感量维持在22uH左右即可，匝数比为1:1

adminismk

V5版本的优化，好像是有利有弊的，利就是让正输入的相位延迟变低了，弊就是让反向输入的信号产生了回勾
但实测影响不是很大，看来还需要找个专业的layout帮忙看看哪里有问题了，还得继续优化才行

东科65W氮化镓实测，目前看起来影响不大，得跟麦科信的100MHz对比看看



与麦科信100MHz的对比，回勾并没有明显的影响到，这个版本目前还是较为成功的

反向输入对比

adminismk

现在更新最新进展，目前已经更新到了V7.0版本

• 深度优化了纹波噪声，增加共模电感
• PCB的layout升级，完善走线，增加250X基线调整功能
• 优化了运放工作参数，优化带宽环路，带宽可达120MHz，正负输入波形均不存在台阶
  

现在测的噪声低于5mVpp，主要噪声来源是隔离变压器导致的，进一步降低需要增加变压器屏蔽罩
以防磁场泄漏干扰，目前不加屏蔽罩的情况下，满足大多数中低端示波器应用。

接下来的测试中，我使用同轴线进行，由接线夹分别接到个探头里
这种接法会存在一个谐振点，会导致带宽下降，后面会单独进行测试的


正弦波测试（10MHz-120MHz，幅值5Vpp）
黄色是东儿科技的DR103R102，蓝色的是我自制的，紫色的是麦科信MDP1500
可以看到老款的东儿科技的差分探头，噪声是比较大的


方波测试（1MHz-20MHz，幅值5Vpp）
黄色是东儿科技的DR103R102，蓝色的是我自制的，紫色的是麦科信MDP1500


上升沿测试（1MHz-20MHz，幅值5Vpp）
黄色是东儿科技的DR103R102，蓝色的是我自制的，紫色的是麦科信MDP1500


扫频测试（100Hz-120MHz，幅值5Vpp）
黄色是东儿科技的DR103R102，蓝色的是我自制的，紫色的是麦科信MDP1500

正向输入扫频曲线

反向输入扫频曲线


下面是自制探头的单独测试


单独正弦波测试（10MHz-120MHz，幅值5Vpp）


单独方波测试（1MHz-20MHz，幅值5Vpp）


单独上升沿测试（1MHz-20MHz，幅值5Vpp）


单独扫频测试（100Hz-120MHz，幅值5Vpp）
正向输入扫频测试

反向输入扫频测试

曲线很平整，增益误差不大

250X档位测试（由于运放压摆率限制，50X性能下降严重）
250X档位，最大带宽为75MHz


但是方波有点失真，我调了好久都没有解决



250X扫频测试


只能说凑合用吧。。。。

adminismk

现在更新最新的一版：V8.1版本

• 解决了测量低频开关电源时的波形畸变，优化探头输入前端补偿网络
• 解决了250X档位的波形畸变
  

本身我已经不想在继续优化的了，但是这个波形的畸变属实看着难受，还有250X增益的波形过冲问题也是

这个畸变在测量小信号下是非常明显的，主要是靠近了开关电源，衰减网络受到了干扰

为了解决这个问题，我选择增加了这个屏蔽小板，能有效缓解畸变，毕竟做CNC外壳真的是太贵啦

但是效果肯定是不如麦科信的CNC外壳，能提供一个稳定的工作环境，几十块钱，要什么自行车啊

用于测试的小板画反了，发布的项目文件里面是改正之后的，放心打样吧，增加屏蔽小板之后，抗干扰好很多了

同时因为增加了屏蔽小板，衰减网络的电容也有相对的调整，需要看对应的原理图文件，直接加上去是不行的！！

还有就是要使用高品质的SMA转BNC线缆，要射频专用的，这种屏蔽，稳定性最好

或者是80编以上带铝箔的RG174线材，这个线缆质量也会影响方波畸变，不合格线材影响很大

例如下面这样，干扰噪声直接串进去了，产生了毛刺，影响实际波形，好的屏蔽线材就不会

还有就是这个探头在测量200KHz以下的方波时，出现了欠补偿的情况，V8.1版本针对此也进行了深度优化

优化的同时，也针对振铃进行了一定的优化，使得上升沿更好

深度优化之后，波形还原效果很好，震荡也消失不见了

578087463

大佬 直接出套件啊

shiyutong

支持出成品啊，一定支持买1个

ωωωω

厉害，楼主辛苦了

joanzeng0325

厉害，楼主辛苦了!

孤云feng

频率不高的话还行，测测开关电源问题不大

猪小呆

国产逐渐替代进口，好

现代鲁班

业余条件下，频响曲线很难做成平直，学生时代做过交流毫伏表，就遇到过这问题

hbxtlsj

厉害厉害，这个都能做出来

Purvirs

膜拜，建议做成套件，有意购买一套来玩玩

add

楼主辛苦了

kkdkj

牛！理论高深，做不来啊。

wywa123

NB plus 字数补丁

adminismk

孤云feng 发表于 2024-4-30 13:40
频率不高的话还行，测测开关电源问题不大

确实，能满足绝大多数的开关电源的测量

adminismk

578087463 发表于 2024-4-30 12:39
大佬 直接出套件啊

成本很低，没有利润的，弄套件基本上是亏钱，还亏很多的那种，邮费都划不来

天使的魔翼

adminismk 发表于 2024-4-30 15:54
成本很低，没有利润的，弄套件基本上是亏钱，还亏很多的那种，邮费都划不来 ...

充电芯片就不要用TP4057了吧，良品率很低。
为什么不用IP2312呢，增加一个简单的隔离电路。此芯片@8139 使用过，还是挺不错的。

8139

天使的魔翼 发表于 2024-4-30 16:09
充电芯片就不要用TP4057了吧，良品率很低。
为什么不用IP2312呢，增加一个简单的隔离电路。此芯片@8139  ...

也需要看电池充电的C数，大电池尤其是动力锂用2312比较合适，如果电池很小又是容量型的，405x系列相对比较合适一点，有可能还需要改一下电流的编程电阻以适应电池。

adminismk

天使的魔翼 发表于 2024-4-30 16:09
充电芯片就不要用TP4057了吧，良品率很低。
为什么不用IP2312呢，增加一个简单的隔离电路。此芯片@8139  ...

这芯片都烂大街的，找一家大厂出的芯片，基本上不会有问题的。。。。。

shiyutong

adminismk 发表于 2024-4-30 15:54
成本很低，没有利润的，弄套件基本上是亏钱，还亏很多的那种，邮费都划不来 ...

200元我买你一个现成的行不？

adminismk

shiyutong 发表于 2024-4-30 16:59
200元我买你一个现成的行不？

建议自己做吧，物料都不贵的，，，，