擴(kuò)展射頻頻譜分析儀可用范圍的高阻抗 FET 探頭

　　頻譜分析儀的電流模式一般有自10Hz低頻起始的頻率響應(yīng)。當(dāng)與1Hz或帶寬更窄的 FET 軟件結(jié)合使用時(shí)，現(xiàn)代頻譜分析儀就具備了擴(kuò)展的低頻性能，使之成為設(shè)計(jì)與調(diào)試高性能模擬電路不可或缺的工具。不幸的是，主要面向RF應(yīng)用的頻譜分析儀典型輸入阻抗為50Ω，當(dāng)用于許多高阻抗模擬電路時(shí)，這是一個(gè)重負(fù)載。與 50Ω輸入串接一個(gè) 953Ω電阻器可以改善阻抗顯得略高的探頭，但這種方法也只能提供1kΩ的輸入阻抗，而測試的信號則會降低26 dB。
　　此外，大多數(shù) RF 頻譜分析儀都缺少交流耦合功能，因此，任何直流輸入元件都與內(nèi)部端結(jié)電阻器或前端混頻器直接相通。如果要保持10 Hz的低頻響應(yīng)，必須在953Ω輸入探頭中串接一個(gè)至少2mF的耦合電容器。盡管示波器輸入電路可以耐受探頭的偶然接觸和容性瞬變過載，但在頻譜分析儀上采用一個(gè)低阻抗、交流耦合的探頭仍然可能會毀壞分析儀昂貴而難以更換的前端混頻器。

　　盡管現(xiàn)在有商用的高阻抗探頭，但它們的購買價(jià)格與維修價(jià)格都很高。本設(shè)計(jì)實(shí)例提供一種替代方案：一種廉價(jià)而有良好保護(hù)作用的單位增益探頭，它的輸入阻抗與一臺普通臺式示波器一樣，可以驅(qū)動頻譜分析儀50Ω的輸入阻抗。該探頭在100 kHz時(shí)的增益為0±0.2 dB。輸入阻抗為1 MΩ、15 pF，最大輸入為 0.8V p-p。負(fù)載阻抗為 50Ω，頻率響應(yīng)范圍在-3 dB時(shí)為10 Hz至200MHz。通帶紋波小于1dB p-p。1 MHz時(shí)的輸入噪聲低于10 nV/√Hz。10 MHz時(shí)0.5V p-p輸入的二階失真低于-75 dBc，三階失真低于-85 dBc。電源需求為±5V、16 mA。

　　只需一個(gè)下午的時(shí)間就可以用買得到的廉價(jià)元器件組裝好圖1所示電路。電路的輸入端表示為與一臺臺式示波器相同的特性，即1MΩ電阻并聯(lián)15 pF電容。還可以用這個(gè)有源探頭替代標(biāo)準(zhǔn)的 1:1 或 10:1 的示波器探頭，進(jìn)一步擴(kuò)展了本設(shè)計(jì)的可用性。D1中背靠背的硅二極管將輸入信號箝位至略高或略低于一個(gè)正向壓降，限制了施加在頻譜分析儀前端的信號強(qiáng)度，因而保護(hù)輸入混頻器免遭過載和 ESD 的損壞。由于大多數(shù)用戶使用探頭和頻譜分析儀測量小幅度信號和噪聲，受限制的大信號響應(yīng)特性不會對多數(shù)應(yīng)用造成影響。
　　高性能 FET 輸入運(yùn)算放大器 IC1采用德州儀器公司的一片OPA656，它提供的電壓增益為2。這一結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的帶寬約為 200 MHz（圖 2）。OPA656可以針對100Ω總負(fù)載而驅(qū)動50Ω 后向匹配的負(fù)載，在單位凈增益的IC1兩個(gè)比較器上產(chǎn)生6 dB的增益損失。較之大多數(shù)基于有源 FET 的商用探頭，OPA656引起的噪聲和失真要低得多。
　　圖 3 中的探頭裝在一個(gè)自制的小銅管內(nèi)。輸入連接器包括一個(gè)小型 SMA邊緣展開連接器，可以方便地適應(yīng)其它連接器，如 BNC 及它的許多附件。探頭需要5V和-5V電壓，每種電壓下的電流約18 mA，它們可以從儀器的探頭電源插頭得到，或者用為交流墻式變壓器設(shè)計(jì)的外接線性電源供電。最好用78L05和79L05穩(wěn)壓器穩(wěn)定供電電壓。

　　標(biāo)準(zhǔn)的小型 50Ω 同軸電纜將探頭連接至測量儀器上。為了達(dá)到最平坦的頻率響應(yīng)與單位增益，探頭輸出端采用 50Ω 端接；電路無需隔直流輸出的電容器。