100MHz高压差分探头

数码之家首发：https://www.mydigit.cn/thread-450270-1-1.html

 

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，纯国产方案差分探头，它来了，它带着极致的性价比来了！

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AC+DC≤900Vpp高耐压输入的差分探头
• 该探头实现锂电池供电与type C双电源使用，支持便携式使用。支持电源路径管理
• 采用的核心运放来自圣邦微的SGM8061，一颗轨到轨的CMOS工艺的500MHz带宽的高速放大器
• 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
• 由于运放的限制，实际运放的输出摆幅是±2.3Vpp，可以更换为AD8001ART，提高供电电压解决
• 解决了负输入的方波振荡与台阶问题，优化运放反馈环路，提升性能

 

设计要求：

• 所有物料要求是国内的厂商
• 支持250X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
• 250X增益带宽≥30MHz，500X增益带宽≥100MHz
• 输入电压要求≥800V且不击穿，过压报警阈值调整为950V
• 单端对地阻抗≥4MΩ，单端对地电容≤1pF，差分输入阻抗≥8MΩ，差分输入电容≤0.5pF

 

更新日志：

• 优化了共模抑制比，相对旧版有较大提升
• 优化了外壳文件，空间利用率提高，外观优化
• V6版本优化了负输入的信号回勾问题，更新外壳文件，外壳文件鸣谢 @xunmujun
• 由于发现买到假运放了，重新更新了测试数据，这颗运放的性能还是蛮强的
• 更换了测试设备，测试用的示波器由普源MSO220A-S更新为DHO4204
• 优化电源供电，降低工作噪声，优化运放反馈环路，消除了负输入的振荡问题
• 增加了高压部分的屏蔽板，使得测量小信号时的稳定性增加，抗干扰增强
• 深度优化了低频方波输入下的欠补偿问题，优化了250X档位的方波畸变问题
• 深度优化250X波形畸变问题，问题得以最大程度上的改善
• 调整过压保护阈值电压，感谢来自闲鱼的@初出茅庐的反馈建议

 

原理图简述：
1. 充电与路径管理与电压指示

增加了共模电感，滤除由充电头带来的噪声污染，使得测量结果更加稳定

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

 如果有高要求的话，可以使用专用的锂电池电量指示芯片，例如HM1160做电量显示

 

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，需要经过共模电感与磁珠的二次滤波

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，现在可以用SGM2210-ADJXN5G/TR替换了

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，实际上最大的纹波噪声只能做到5mVpp以内

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控制，避免大电压冲击运放，导致损坏

V7.0增加了250X档位的轨道偏移调整

运放采用的是SGM8061，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

但是GS8091的压摆率偏低，波形还原的效果不是很好，多次调试均有明显的过冲及振铃

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

V7版深度优化了反馈环路，稳定性更高，且解决了负输入的振荡问题

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250X增益时的轨道偏移

为了避免这种情况，我选择将50X放大，更换为250X放大，有效缓解这种情况

为了避免负信号输入的带宽衰减问题，不需要贴C35，这样子可以用正负输入的带宽一致

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

为了驱动容性负载，通常加入一个电阻来分割运放与线缆，这样能让运放的环路更加的稳定

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

优化了250X档位的波形，使得更贴近方波，振铃是线路阻抗与运放共同造成的

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100KHz以内响应是没问题的

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

V6版本的原理图将Q5的C，E极给修正了，之前B站网友反馈说我接错了

 

成品实物图

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，500X与250的基线偏移都能通过旋钮调整了

下图是旧版的共模抑制实际表现效果

下图是V6版本的表现，发现其抖动状态消失，状态良好，这个是正品运放的短路输出纹波

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的正弦波信号，幅值为10Vpp的正弦波信号
将示波器衰减调整为250X，将差分探头也调整为250X，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

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

产生振荡的原因是阻抗不匹配造成的反射，单独测试就没有这种情况的出现

 

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

下面的曲线是贴了C35的情况，可以发现，确实是降低了带宽

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，最大带宽约80MHz

但是方波有点失真，我调了很久，终于是勉强能用了

出现振铃的原因有很多，例如阻抗不匹配导致的信号反射，运放自身的因素导致的

也可能是放大了信号本身的振铃，目前V8.1这版是最接近完美的，克服种种困难

实际测量电源的上升沿来说，还是很不错的

实际测量Vds引脚的峰峰值会偏低一点，毕竟尖峰已经削了

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总结：又不是不能用，要什么自行车

 

之前测试过了，使用磁环做变压器的方案不可行啊，，建议大家还是买磁芯自己绕制吧

原理图文件与GERBER文件带V7字样的是新版的，旧版的调试过程都在数码之家了

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后续1：GaN管驱动实际测试

这个是测试之前我做的茂睿芯的氮化镓电源的栅极驱动情况

黄色的麦科信的MDP1500高压差分探头，蓝色的是我自制的高压差分探头

现在是正向输入情况反馈，可以看到，我制作的底噪相对于麦科信的底噪更低。

反向输入对比

反向输入存在振荡，这个不好解决，目前暂为发现原因，所以尽量不要使用反向输入

现在测试三款高压差分探头

蓝色的是麦科信MDP1500，黄线的是东儿科技的DR103R102，紫色的是我自制的，在三种探头里面，我的探头底噪最低。

可以看到，我的底噪是最低的，使用的是一个手机充电头供电，另外两个探头都是从示波器上取电的

但是我这个探头对于共模干扰的抑制还是比较差的，解决办法是增加共模电感与差模电感进行滤波

主要原因是充电头太劣质了，共模噪声很大，导致底噪纹波也偏大大。电池供电好很多

直接插在示波器上进行取电，就没有共模的毛刺噪声了。

蓝色的是麦科信，黄色的是东儿科技，紫色是我制作的，仅供参考

紫色是麦科信MDP1500，蓝色是我的，可以明显看到，我的比麦科信还要低，对于小信号测量还原性更好

 

后续2：关于增强小信号下的抗干扰稳定性

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

20MHz方波正向输入

20MHz方波反向输入

深度优化之后，波形还原效果很好，震荡也消失不见了

项目完结了