1x/0.1x Differential Probe

[diffprobe (Gast)]

Hallo Forum,

ich bin gerade dabei eine 'einfache' 1x/0.1x Differential Probe für ein 
Oszilloskop aufzubauen. Der Anspruch ist relativ niedrig, 10 MHz 
Bandbreite bei ~8V Vpp am Ausgang und eine möglichst große 
Eingangsimpedanz sollten schon sein, und idealerweise soll sie mit gut 
erhältlichen, günstigen und leicht zu bestückenden ICs im Standardpinout 
auskommen.

Der Aufbau ist relativ simpel, 1/10-Teiler am Anfang mit Trimmern zum 
Abgleich, dann ein Instrumentationsverstärker mit 1x oder 10x 
Verstärkung in den Buffern und 10x in der Differenzstufe.

Hierzu habe ich die AD8038/AD8039 auserkoren, weil sie die einzigen sind 
die ich mit bei einfacher Verstärkung stabil, in SOIC mit Standardpinout 
verfügbar und ausreichend Loop Gain und Slew Rate finden konnte. 
Allerdings stören mich die gerade mal 67dB CMRR doch ein wenig. Kennt 
jemand noch andere Chips die mir durch Raster gegangen sind und was das 
angeht besser dastehen?

Darüber hinaus hätte ich gerne gewusst ob das Layout so in Ordnung geht, 
das wird meine erste Platine die über 50 MHz GBW hinaus geht, und wie 
ich den Ausgang am besten vor der Kapazität des BNC-Kabels schützen 
kann. Reicht hierfür ein einfacher 49 Ohm Widerstand? Es soll mit 0,5m 
Koax direkt an den Eingang des Oszis gehen.

Danke und beste Grüße

DiffProbe

[Xerxes (Gast)]

Ich habe in der gleichen Anwendung den THS4631 verwendet.

https://www.ti.com/product/THS4631

[MiWi (Gast)]

diffprobe schrieb:
> Reicht hierfür ein einfacher 49 Ohm Widerstand? Es soll mit 0,5m
> Koax direkt an den Eingang des Oszis gehen.

Ja. R6 am Ausgang vom Opamp, 49 Ohm zw. Ausgang vom Opamp und dem BNC

[diffprobe (Gast)]

Xerxes schrieb:
> THS4631

Danke für den Tipp, ist nur leider nicht als zweikanaliges Package 
erhältlich. Ich hab aber gerade auch mal fix LTspice angeschmissen und 
die CMRR schaut mit über 120 dB zu gut aus um wahr zu sein, rechnet hier 
Spice richtig?

Dabei hab ich dann auch erstmal festgestellt dass C11 und C12 ohne R3 
ziemlich witzlos sind. Mit 2x/20x umschaltbar bei den Buffern und 5x im 
Differenzverstärker sieht das bei 3.3 pF (oliv) gleich viel besser aus.

Kann ich den entsprechenden zusätzlichen Widerstand einfach mit zu R3 
auf die Rückseite packen? Das Konstrukt mit den zwei Vias gefällt mir 
generell nicht wirklich, aber um IC1 auf der Oberseite herum wären die 
Leiterbahnen noch viel länger. Und kann man da statt einem Lötjumper 
auch einen einfachen Steckjumper nehmen, oder klappt das bei den 
Frequenzen nicht mehr?

Beste Grüße

DiffProbe

[MiWi (Gast)]

diffprobe schrieb:
> Und kann man da statt einem Lötjumper
> auch einen einfachen Steckjumper nehmen, oder klappt das bei den
> Frequenzen nicht mehr?

bis 100Mhz ist das alles noch ziemlich egal.


Verwende eine liegende BNC-Buchse, keine stehende. Es wird sowieso eine 
störrische Angelegenheit wenn Du den TK verwenden willst, bei einer 
liegenden BNC hast Du ein bischen weniger bockiges Kabel.

[Blechbieger (Gast)]

Hast du eine bestimmte Anwendung im Sinn? Ich fände so eine 
differentielle Probe für CAN und RS485 interessant, wobei für RS485 die 
Bandbreite gerne noch größer sein dürfte. Zu kaufen finde ich nämlich 
nur sehr teure mit BW im GHz-Bereich oder Eingangsspannungen im 
kV-Bereich.

Dir ist klar das in Schaltplan und Layout noch ein Anschluß für die 
Versorgung fehlt?

[MiWi (Gast)]

Blechbieger schrieb:
> Hast du eine bestimmte Anwendung im Sinn? Ich fände so eine
> differentielle Probe für CAN und RS485 interessant, wobei für RS485 die
> Bandbreite gerne noch größer sein dürfte. Zu kaufen finde ich nämlich
> nur sehr teure mit BW im GHz-Bereich oder Eingangsspannungen im
> kV-Bereich.

hier im Forum gab es eine laaaaange Entwicklungsgeschichte zu einer 
600MHz Probe, kostenpunkt um die 100€, im eevblog gibts auch etliche 
Threads dazu, also einfach nur suchen und dann lesen.

[Dieter (Gast)]

Der Aufwand ist für den Anschluss an ein Digitaloszi mit 8bit Auflösung 
vollkommen daneben.

Für diesen Fall reicht eine simple Schaltung mit zwei Transistoren und 
einer 1,5V-Zelle vollkommen aus. Alles andere ist wie in der 
verkehrsberuhgten Zone (Schrittgeschwindigkeit) mit einem 600kW Porsche 
durchzuschleichen.

[diffprobe (Gast)]

Dieter schrieb:
> Der Aufwand ist für den Anschluss an ein Digitaloszi mit 8bit Auflösung
> vollkommen daneben.

Der Aufwand ist gerade dafür total gerechtfertigt, weil man nämlich mit 
solchen Oszilloskopen die Differenzfunktion bei hohem Verhältnis von 
Common Mode zu Nutzsignal total vergessen kann. Mit der Probe sollen 
potentialfreie Messungen in analogen Verstärkerschaltungen vorgenommen 
werden.

Der THS4631 war auf den zweiten Blick ein sehr guter Tipp, mit den zwei 
Packages geht sich das Layout viel schöner aus und die höhere 
Eingangsimpedanz belastet den Spannungsteiler deutlich weniger.

Für die Versorgungsspannung muss ich mir noch einen Verbinder ausgucken 
der nicht allzu klobig daher kommt. Loht es sich da noch ein paar Elkos 
und Ferrite zu spendieren? Oben kommt dann ein Würth ShielDIY drauf.

Wie schaut das mit Freistellung der Massenflächen unterhalb der OPVs und 
des Eingangsteilers aus? Da liest man sehr unterschiedliche Meinungen 
zu.

Beste Grüße

diffamp

[MiWi (Gast)]

diffprobe schrieb:

> Wie schaut das mit Freistellung der Massenflächen unterhalb der OPVs und
> des Eingangsteilers aus? Da liest man sehr unterschiedliche Meinungen
> zu.

Dann bilde Dir eine eigene.... und überlege ob es für Dich relevant ist.



Ich möchte im Bereich der Tastkopfspitzen keine GND-Umrandung haben. 
Gaaaaaanz sicher nicht. Aber meine TKs gehen bis 500, 600MHz, bei 10MHz 
oder vielleicht 50MHz könnte das noch egal sein.

und der Abstand zwischen dem Eingangs-RC und dem  R16 bzw. R17 möchtest 
Du sicher noch größer machen...

btw: wenn Du schon das Layout mit Informationen zukleistern läßt - bitte 
nimm die relevanten, es ist vollkommen egal ob bei einem Widerstand das 
Pad 1 oder 2 benannt wird oder die Netznamen sichtbar sind, hier im 
Forum ist REFDES entscheidend um im Layout was zu benennen...

[MiWi (Gast)]

und C21 wird auch auf dnp gesetzt, Du willst an der Stelle sicher keinen 
Tiefpaß, da werkt das Koax schon ausreichend herum.

[Xerxes (Gast)]

Im Datenblatt des THS4631 gibt es auf Seite 14 deutliche Hinweise zum 
korrekten Layout.
Die Fet-Eingänge sind extrem empfindlich gegen kapazitive 
Einkoppelungen.

[diffprobe (Gast)]

Vielen Dank für die ganzen Hinweise!

MiWi schrieb:
> es ist vollkommen egal ob bei einem Widerstand das
> Pad 1 oder 2 benannt wird oder die Netznamen sichtbar sind

Das exportiert Eagle leider automatisch so, im Anhang noch der 
Bestückungsplan.

C21 ist zumindest in der Simulation die effektivste Möglichkeit einen 
Tiefpass gegen das Überschwingen einzubauen ohne sich dabei die CMRR zu 
versauen. Ich werde das wohl einfach mal ausprobieren. Wenn man da 5m 
Koax dran hängen, braucht es den natürlich nicht.

MiWi schrieb:
> Dann bilde Dir eine eigene....

Dann werde ich einfach mal drei Designs fertigen lassen, eins ohne 
Freistellung, eins mit freigestelltem Eingangsteiler und eins mit 
zusätzlicher Freistellung unter den OPV-Eingängen.

Wenn es nicht mehr auszusetzen gibt (ich bin ja fast begeistert, 
normalerweise wird sowas doch sofort zerflückt) würde ich da noch ein 
bisschen Hühnerfutter für die Versorgungsspannung einplanen und die 
Designs dann zum Testen fertigen lassen.

Mein DSOX1204G hat leider nur einen 20MHz Funktionsgenerator und maximal 
20 Vpp am Ausgang. Gibt es eine einfache Möglichkeit ein sauberes, 
schnelles Rechteck mit ausreichend Spannungshub zu erzeugen?

Beste Grüße

diffprobe

[diffprobe (Gast)]

Anhang vergessen.. :/

[ArnoR (Gast)]

diffprobe schrieb:
> C21 ist zumindest in der Simulation die effektivste Möglichkeit einen
> Tiefpass gegen das Überschwingen einzubauen

Nein. Die effektivste Methode ist, das Überschwingen gar nicht entstehen 
zu lassen, indem man die OPV ausreichend hoch verstärken lässt. Sieh dir 
mal dein Bild tran.png an. Da sieht man daß bei hoher Verstärkung der 
Puffer das Überschwingen weg ist, bei kleiner Verstärkung dagegen hast 
du 50% Überschwingen. Eine Tiefpassfilterung ergäbe nur eine Kurve wie 
die untere in der oberen Bildhälfte von tran_zoom.png. Besser ist es, 
die Puffer und den Differenzverstärker etwa gleich hoch verstärken zu 
lassen.

Man sieht also, daß die Verstärkungsumschaltung die Bandbreite/Dynamik 
der Probe vollkommen verändert. Ich würde das nicht machen, sondern 2 
Stück bauen, die jeweils optimiert sind.

R16/R17 würde ich weglassen und die genaue Einstellung des Teilerfaktors 
weiter hinten mit dem Verstärkungswiderstand R15 am Puffer machen.

[MiWi (Gast)]

diffprobe schrieb:

> Mein DSOX1204G hat leider nur einen 20MHz Funktionsgenerator und maximal
> 20 Vpp am Ausgang. Gibt es eine einfache Möglichkeit ein sauberes,
> schnelles Rechteck mit ausreichend Spannungshub zu erzeugen?

Nimm einen (IGBT) Gatetreiber, die können ziemlich schnell schalten zB.
DEIC420 oder IXD_602. Die treibst Du mit dem Funktionsgenerator an, da 
reichen eh ein paar 10 - 50kHz um ausreichend Schmutz zu erzeugen. 
Versorgung der Gatetreiber variabel zw. minimaler und max. 
Versorgungsspannung.... und fast ist der Testaufbau fertig.

Dazu ein floatender (=batteriebetriebener) zusammengeschusterter 
Sinusgenerator, denn Du auf den Switching Node von einem der genannten 
Chips setzt.

die haben aber den Nachteil das sie auch "nur" bis 30V gehen.



Wenn Du es wirklich giftig und ein bischen mehr Common Mode-Spannung 
haben willst - evalboard vom LMG5200 amfordern, 50V/ns sollten dann auch 
für Deine Tests ausreichend schnell sein :-)
Aber obacht - der Chip (und seine Verwandten) sind eine vollkommen neue 
Baustelle, also Evalboard und nicht selber machen, sonst wirst Du nie 
fertig.


Viel Vergnügen

[diffprobe (Gast)]

MiWi schrieb:
> DEIC420 oder IXD_602

Spannend, da wäre ich nicht drauf gekommen, so mache ich das :)

Ich hab mich nun mühsam in TINA TI eingearbeitet, im Vergleich zu LT ist 
die Bedienung ein absoluter Krampf. Hält man sich an die Empfehlungen 
aus dem Datenblatt vom THS4631 (Cf Seite 5), klappt es auch bei 1x 
Verstärkung ohne Überschwingen und an der Stelle haben ±0.05 pF auch 
nicht den größten Einfluss auf die CMRR. Dass die Probe bei 0.1x 
langsamer wird ist mir natürlich auch schon aufgefallen und nicht 
wirklich schlimm.

Passen die Ausschnitte in der Groundplane soweit?

Beste Grüße!

[Dieter (Gast)]

diffprobe schrieb:
> Der Aufwand ist gerade dafür total gerechtfertigt, weil man nämlich mit
> solchen Oszilloskopen die Differenzfunktion bei hohem Verhältnis von
> Common Mode zu Nutzsignal total vergessen kann. Mit der Probe sollen
> potentialfreie Messungen in analogen Verstärkerschaltungen vorgenommen
> werden.

Da müßstest Du erst mal schreiben, wie hoch das Potential wäre, zum 
Beispiel mehr als 320V und die Differenzen, zum Beispiel auch unter 
10mV.

[Olaf (Gast)]

> Kennt jemand noch andere Chips die mir durch Raster gegangen sind
> und was das angeht besser dastehen?

Ich fuer diese Anwendung schonmal einen LT6230 genommen weil er gerade 
rumlag. Und du hast ihn bereits in LTspice. :)

Olaf

[xxx (Gast)]

Für deine Anwendung ist eventuell der AD8129/8130 eine gute Wahl.
Jedenfalls hat der Dank der interessanten Architektur eine
um Welten bessere CMRR.
Bei hohen Frequenzen brauchst du Bufferverstärker davor.

Die 10pF Kondensatoren am Eingang hauen dir in der Praxis
den Eingangswiderstand zusammen.
Mach die deutlich kleiner, oder lass sie weg.

[xxx (Gast)]

Ich habe mir den Schaltplan genauer angeschaut,
so kannst du den völlig vergessen, da kommst du wegen der
Widerstandstoleranzen auf nicht mehr als 50-60 dB CMRR.

Mach die Widerstände beim Differenzverstärker einstellbar, und
nimm ein Array, so dass die bei Termperatur nicht wegdriften.

[Bernd (Gast)]

xxx schrieb:
> Ich habe mir den Schaltplan genauer angeschaut,
> so kannst du den völlig vergessen, da kommst du wegen der
> Widerstandstoleranzen auf nicht mehr als 50-60 dB CMRR.
Das sehe ich auch so.

> Mach die Widerstände beim Differenzverstärker einstellbar, und
> nimm ein Array, so dass die bei Termperatur nicht wegdriften.
LT5400-6
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/5400fc.pdf

[diffprobe (Gast)]

Der AD8130 ist ein ziemlich spezieller Kandidat, die begrenzte 
Differential Input Voltage musste ich erstmal begreifen. Da der 
Eingangsteiler auch voll mit in die CMRR eingeht, sehe ich das Ganze 
nicht allzu kritisch. Deshalb habe ich die Kapazitäten auch relativ groß 
gewählt, da gibt's die mit geringerer Toleranz, was insgesamt helfen 
sollte.

Das LT5400-6 schaut hingegen echt gut aus, lässt sich aber bescheiden 
löten und ist nirgends verfügbar - vermutlich tut es auch ein einfaches 
Vishay ACAS.

Da man CMRR vorallem auch über Frequenz schön messen kann, werde ich mir 
einfach ein paar Boards zum Ausprobieren kommen lassen. Da ich vermehrt 
PNs wegen Unterlagen zum Nachbau bekommen habe, lohnt sich der Aufwand 
wohl :)

Beste Grüße

Dominic