擴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。當與1Hz或帶寬更窄的 FET 軟件結合使用時，現(xiàn)代頻譜分析儀就具備了擴展的低頻性能，使之成為設計與調(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應用的頻譜分析儀典型輸入阻抗為50Ω，當用于許多高阻抗模擬電路時，這是一個重負載。與 50Ω輸入串接一個 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，必須在953Ω輸入探頭中串接一個至少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，但它們的購買價格與維修價格都很高。本設計實例提供一種替代方案：一種廉價而有良好保護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，可以驅動頻譜分析儀50Ω的輸入阻抗。該探頭在100 kHz時的增益為0±0.2 dB。輸入阻抗為1 MΩ、15 pF，最大輸入為 0.8V p-p。負載阻抗為 50Ω，頻率響應范圍在-3 dB時為10 Hz至200MHz。通帶紋波小于1dB p-p。1 MHz時的輸入噪聲低于10 nV/√Hz。10 MHz時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。

　　只需一個下午的時間就可以用買得到的廉價元器件組裝好圖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。還可以用這個有源探頭替代標準的 1:1 或 10:1 的示波器探頭，進一步擴展了本設計的可用性。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正向壓降，限制了施加在頻譜分析儀前端的信號強度，因而保護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特性不會對多數(shù)應用造成影響。
　　高性能 FET 輸入運算放大器 IC1采用德州儀器公司的一片OPA656，它提供的電壓增益為2。這一結構產(chǎn)生的帶寬約為 200 MHz（圖 2）。OPA656可以針對100Ω總負載而驅動50Ω 后向匹配的負載，在單位凈增益的IC1兩個比較器上產(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 中的探頭裝在一個自制的小銅管內(nèi)。輸入連接器包括一個小型 SMA邊緣展開連接器，可以方便地適應其它連接器，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計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。

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