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 輸進(jìn)阻抗為50Ω，當(dāng)用于很多高阻抗模擬電路時(shí)，這是一個(gè)重負(fù)載。與 50Ω輸進(jìn)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的輸進(jìn)阻抗，而測(cè)試的信號(hào)則會(huì)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，任何直流輸進(jìn)元件都與內(nèi)部端結(jié)電阻器或前端混頻器直接相通。假如要保持10 Hz的低頻響應(yīng)，必須在953Ω輸進(jìn)探頭中串接一個(gè)至少2mF的耦合電容器。盡管示波器輸進(jìn)電路可以耐受探頭的偶然接觸和容性瞬變過(guò)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(huì)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(gòu)買價(jià)格與維修價(jià)格都很高。 本設(shè)計(jì)實(shí)例提供一種替換方案：一種廉價(jià)而有良好保護(hù)作用的單位增益探頭，它的輸進(jìn)阻抗與一臺(tái)普通臺(tái)式示波器一樣，可以驅(qū)動(dòng)頻譜分析儀5 0Ω的輸進(jìn)阻抗。該探頭在100 kHz時(shí)的增益為0±0.2 dB。輸進(jìn)阻抗為1 MΩ、15 pF，最大輸進(jìn)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)的輸進(jìn)噪聲低于10 nV/√Hz。10 MHz時(shí)0.5V p-p輸進(jìn)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。電路的輸進(jìn)端表示為與一臺(tái)臺(tái)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)有源探頭替換標(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進(jìn)信號(hào)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真?zhèn)€信號(hào)強(qiáng)度， 因而保護(hù)輸進(jìn)混頻器免遭過(guò)載和 ESD 的損壞。由于大多數(shù)用戶使用探頭和頻譜分析儀丈量小幅度信號(hào)和噪聲，受限制的大信號(hào)響應(yīng)特性不會(huì)對(duì)多數(shù)應(yīng)用造成影響。

高性能 FET 輸進(jìn)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(duì)100Ω總負(fù)載而驅(qū)動(dòng)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)。輸進(jìn)連接器包括一個(gè)小型 SMA邊沿展開連接器，可以方便地適應(yīng)其它連接器，如 BNC 及它的很多附件。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丈量?jī)x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(wú)需隔直流輸出的電容器。