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[综合] 仅50元的50MHz高压差分探头(电路开源)

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发表于 2024-4-30 12:37:43 | 显示全部楼层 |阅读模式

爱科技、爱创意、爱折腾、爱极致,我们都是技术控

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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
image.png
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
image.png
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
image.png
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
image.png
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。
image.png
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
image.png
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
image.png
01.jpg
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
image.png
00.jpg
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
image.png
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
image.png
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
image.png
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
image.png
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
image.png
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
image.png
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
image.png


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PCB仿真图
实物仿真图.png
成品实物图
正面.jpg 正面01.jpg 正面02.jpg
细节部分
电源部分.jpg 电源滤波.jpg 前端.jpg



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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
image.png image.png
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
image.png

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
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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
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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
image.png
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
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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
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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 新建文件8.png



总结:又不是不能用,要什么自行车

原理图,BOM,GERBER文件.zip (149.13 KB, 下载次数: 15)
运放屏蔽罩.pdf (134.69 KB, 下载次数: 8)
参考资料.zip (4.8 MB, 下载次数: 15)
EPC10变压器承认书_带水印.pdf (215.14 KB, 下载次数: 8)
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





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 楼主| 发表于 2024-5-11 00:44:16 | 显示全部楼层
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
新建文件8.png 新建文件9.png
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
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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
新建文件12.png 新建文件13.png
反向输入对比
新建文件14.png 新建文件15.png
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发表于 2024-4-30 12:39:33 | 显示全部楼层
大佬 直接出套件啊
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发表于 2024-4-30 13:10:38 | 显示全部楼层
支持出成品啊,一定支持买1个
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发表于 2024-4-30 13:11:35 | 显示全部楼层
厉害,楼主辛苦了
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发表于 2024-4-30 13:24:14 | 显示全部楼层
厉害,楼主辛苦了!
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发表于 2024-4-30 13:40:00 | 显示全部楼层
频率不高的话还行,测测开关电源问题不大
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发表于 2024-4-30 13:47:04 | 显示全部楼层
国产逐渐替代进口,好
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发表于 2024-4-30 13:55:33 | 显示全部楼层
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
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发表于 2024-4-30 14:03:39 | 显示全部楼层
厉害厉害,这个都能做出来
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发表于 2024-4-30 14:10:10 | 显示全部楼层
膜拜,建议做成套件,有意购买一套来玩玩
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发表于 2024-4-30 14:11:09 | 显示全部楼层
楼主辛苦了
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发表于 2024-4-30 14:29:30 | 显示全部楼层
牛!理论高深,做不来啊。
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发表于 2024-4-30 14:58:51 | 显示全部楼层
NB plus 字数补丁
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 楼主| 发表于 2024-4-30 15:53:52 | 显示全部楼层
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
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 楼主| 发表于 2024-4-30 15:54:31 | 显示全部楼层
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
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发表于 2024-4-30 16:09:36 | 显示全部楼层
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。
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发表于 2024-4-30 16:26:16 | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 发表于 2024-4-30 16:47:31 | 显示全部楼层
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。。。。。
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发表于 2024-4-30 16:59:17 | 显示全部楼层
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?
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 楼主| 发表于 2024-4-30 17:49:32 | 显示全部楼层
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,,,,
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