В прошлой статье я писал, что для честных измерений в 50 Ω трактах нужен осциллограф, у которого есть встроенный вход 50 Ω. Сейчас рассмотрим варианты подключения, когда такого входа нет, их ограничения и особенности.

Почему это не про частоты выше 500 МГц

Осциллограф, у которого нет 50 Ω входа, обычно имеет собственную полосу менее 350…500 МГц. Предельная полоса пропускания у него ограничена, в том числе, системой “входной каскад – пробник”, и не может быть выше 500-1000 МГц из-за паразитных емкостей и потерь в кабеле пробника. Поэтому задача внешней терминации актуальна только в полосе до 500 МГц: более быстрые осциллографы всегда имеют встроенную терминацию.

Почему нужно терминировать

Коаксиальный кабель, как правило, имеет волновое сопротивление 50 Ω. Чтобы отражений сигнала не было, импеданс нагрузки должен быть равен импедансу кабеля. Отражения портят форму сигнала, искажают фронты (завалы, звон), изменяют амплитуду и возвращают часть мощности в источник, который к этому может быть не готов.

Эффекты рассогласования (отражения сигнала) при измерениях начинают проявляться задолго до 500 МГц, поэтому пренебречь ими не получится.

Для какой частоты это важно?

Быстрая оценка: кабель RG-174 имеет эпсилон 1.91, поэтому за одну наносекунду сигнал проходит в нём примерно 22 сантиметра. В лаборатории популярны кабели длиной 1 метр. Электрическая длина у них около 4.5 нс, что соответствует частоте 222 МГц. Обычно длинной линией называют такую, в которой помещается хотя бы четверть волны сигнала. Получается, что наш метровый кабель – длинный для частот выше 50 МГц, а это не так уж много.

Напомню, что для сигнала произвольной формы важна скорость нарастания, а не его период. Частота 50 МГц соответствует времени нарастания в 6 нс (сравнимо с электрической длиной кабеля).

Проходной терминатор

Берем два резистора 100 Ω (чтобы рассеивать больше мощности), впаиваем между сигналом и землёй, добавляем два разъема по бокам.

Несмотря на то, что амазоновский терминатор использует выводные резисторы, его концепция выглядит лучше, чем у Aliexpress: меньше паразитные характеристики, меньше неоднородностей в тракте.

Проведём измерения на векторном анализаторе. Поле допуска 50 Ω +- 5% соответствует диапазону от 47.5 до 52.5 Ω.

Амазоновский (выводные резисторы, коаксиальная схема): с частотой импеданс падает, на 50 кГц – 50.5 Ω, на 500 МГц – 44 Ω, на 1 ГГц минимум – 39 Ω. Со стороны “источника” и “осциллографа” измерения похожие (S11/S22), поэтому приложен один график.

А вот для терминатора с Алиэкспресс (SMD-резисторы, печатная плата) всё интереснее.

Давайте сравним с S22 (со стороны осциллографа).

Вау. Он сильно резонирует на 1.17 ГГц. Не то чтобы это было для нас важно (помним про “полезную” полосу в 500 МГц), но всё равно некрасиво.

В целевой полосе (0 – 500 МГц) импеданс лучше, чем у Амазоновского: S22 |Z| от 50.2 Ω на 50 кГц до 47.2 Ω на 500 МГц; S11 |Z| от 50.4 Ω на 50 кГц до 56.3 Ω на 500 МГц.

Что всё это значит? Оба терминатора, в принципе, работают. В полосе до 500 МГц их импеданс похож на 50 Ω с допуском около +- 10%.

Проведём также измерения с BNC-тройником и оконечным терминатором. Думаю, в полосе до 500 МГц он покажет сравнимые характеристики – резонанс из-за стаба будет проявляться на значительно более высокой частоте.

Действительно, выглядит похоже. На 50 кГц импеданс составил 51.5 Ω, на 500 МГц – 62.2 Ω. Ожидаемо, проходные терминаторы лучше, чем тройник с оконечным терминатором.

Главная проблема

Сами по себе терминаторы неплохие. Проблема во входном каскаде осциллографа: его паразитная емкость никуда не делась, и теперь нет щупа, который бы её компенсировал.

Импеданс такого сочетания – не 50 Ω. На 500 МГц он составит около 13 Ω, и это – серьезная проблема. До какой частоты ёмкость входа можно игнорировать? Допустим, нас устраивает снижение импеданса до 40 Ω (-20%, это очень много). Тогда допустимое реактивное сопротивление конденсатора будет не менее 200 Ω, и предельная частота – 44 МГц. Упс.

Для иллюстрации я подключил терминатор с Амазона к осциллографу Rigol MSO5354 (полоса 350 МГц, вход 1 МΩ, DC-coupled), и провел измерение импеданса на VNA заново.

Рассмотрим более подробно участок до 500 МГц.

Спад на участке до 250 МГц – проявление ёмкости входного каскада осциллографа, а дальнейший рост вызван индуктивностью в тракте. Видно, что неплохой терминатор после подключения к осциллографу стал весьма паршивым: на 250 МГц его импеданс всего лишь 20 Ω. Особенно плохо, что импеданс имеет сильную частотную зависимость: это приведёт к малопредсказуемым искажениям формы сигнала.

Решение проблемы

Чтобы стабилизировать импеданс со стороны источника, можно добавить аттенюатор. Его последовательное сопротивление “изолирует” емкость осциллографа, уменьшая её влияние.

Выглядит громоздко, конечно.

Вот измеренный импеданс такой схемы:

Другое дело, правда? На 500 МГц импеданс 51.5 Ω, на 1 Ггц – 52.5 Ω. Идеально?

Идеально, если сигнал достаточно сильный. Мы ослабили его в 10 раз по амплитуде, а шумы остались теми же. К сожалению, у недорогих осциллографов, помимо отсутствия 50 Ω входа и малой полосы есть ещё и проблема с шумами. Rigol MSO5354 с входом, терминированным на 50 Ω, в отсутствие сигнала шумит на 2.5 мВ RMS. Это значит, что минимальный сигнал, для которого SNR (signal to noise ratio) больше 10, равен 25 мВ. Если же мы используем ещё и аттенюатор, то минимальный сигнал становится равным уже 250 мВ. Это немало.

Бонус

Источник сигнала: последовательно терминированный (идеальный случай) генератор меандра 10 МГц, время нарастания и спада 35 пикосекунд.

Кабель RG58, длина 150 см. Осциллограф Rigol MSO5354.

Если бы источник сигнала имел импеданс не 50 Ω, а значительно меньше, артефакты двойного отражения были бы значительно сильнее.

Заключение

На недорогом осциллографе без встроенного входа 50 Ω можно проводить измерения в 50 Ω трактах, но с ограничениями.

Если сигнал сильный (более 250 мВ), используйте аттенюатор 20 дБ и проходной терминатор. Такая схема обеспечит стабильный импеданс для источника и минимизирует отражения, но уменьшит SNR в десять раз.

Если сигнал слабый, используйте только проходной терминатор. При этом нужно иметь в виду, что его импеданс нестабилен, и форма сигнала может быть искажена.

Подключать 50 Ω кабель к мегаомному входу осциллографа без какой-либо дополнительной терминации не стоит: явления “длинной линии” для метрового кабеля станут заметны уже на 50 МГц.

Stay tuned! @brsbrs_ru