고전압증폭기
고전압증폭기 임피던스 50오옴
도문
2022. 10. 20. 14:22
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고전압 증폭기 및 유비쿼터스 50 Ohm: 주의 사항 및 이점
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Wait, 내 신호가 두 배 / 반으로 줄었습니다!?
전자 측정 장비로 작업하는 모든 실험 과학자는 언젠가는 설명 할 수없는 두 가지 요인에 당황하게됩니다. 분명히 아무데도 나오지 않으면 전자 신호의 진폭이 진폭이 두 배가되거나 절반으로 줄어 듭니다. 그 이유는 고주파 사용을위한 거의 모든 전자 장비 (예 : 1MHz 이상)에는 50 옴 인 및 / 또는 출력 저항기가 장착되어 있기 때문입니다. 올바른 50 Ohm 인터페이싱은 빛의 유한 속도로 인한 반사 및 신호 왜곡을 방지하고 전자 신호가 케이블 길이를 통과하는 데 걸리는 유한 시간을 방지합니다. 나중에 이것에 대해 훨씬 더 자세히 설명합니다.
이 혜택으로 인해 혼란의 지속적인 원인이 생깁니다. 셋업에 있는 이 모든 50옴 저항기는 두 개의 전압 분배기를 형성하며, 주의하지 않은 사람들이 실수로 신호 진폭의 일부를 얻거나 느슨해지기 쉽습니다. 전형적인 상황이 그림 1에 묘사되어 있다. 기능/임의 파형 발생기는 내부 50Ohm 출력 저항을 가지며 BNC 또는 SMA 출력 커넥터에 연결됩니다. 이 출력에 연결된 것은 부하이며, 이는 예를 들어 다른 전자 장비, 별도의 회로 또는 변환기가 될 수 있습니다. 발전기의 출력에서 50 옴 저항기는 부하와 함께 전압 분배기를 형성합니다. 발전기는 내부 50Ohm 저항기에 연결된 출력 전압 Vgen으로 설정됩니다. 부하의 임피던스가 매우 높으면 부하의 전압도 V_gen됩니다. 부하의 저항이 발전기 내부의 저항과 같이 50 Ohm이면 V_gen / 2가됩니다. 그리고 그것은 물론 가까운 단락에 대해 더 낮을 것입니다. 실험적으로, 우리는 부하에 걸친 전압에만 액세스 할 수 있습니다. 발전기에 V_gen 설정하면 부하의 특성에 따라 부하에 걸친 겉보기 출력이 V_gen V_gen / 2 또는 다른 분수 일 수 있습니다.

그림 1. 연결 50 옴 장비는 전압 분배기를 형성합니다 부하의 특성을 알고 있다면 V_load 내부 발전기 전압 V_gen에서 전압 분배기 방정식으로 전압 분배
기 방정식으로 계산할 수 있습니다 :
V_load = R_load / (R_gen + R_load) * V_gen (Eq. 1)
이러한 출력 / 입력 부하가 매우 중요합니다.
모든 측정 상황에서 처리해야합니다. 다행히도 이 효과는 방정식 1과 같이 간단합니다. 주의 사항은 V_gen에 있습니다. 일부 제조업체는 기능 발생기의 디스플레이에 내부적으로 생성되는 전압 Vgen을 표시합니다. 이것은 전압계 또는 고 임피던스 오실로스코프 프로브를 사용하여 개방 연결과 같은 높은 임피던스 부하가 사용되는 경우 출력에서 측정할 전압입니다. 다른 제조업체는 50Ohm 부하를 연결할 것으로 기대합니다. 이 경우 디스플레이는 50Ohm 부하에 걸친 전압을 표시하며, 내부 전압 Vgen은 디스플레이에 표시된 것보다 두 배 높습니다. 이러한 발전기에 높은 임피던스 전압계를 연결하면 측정 된 출력 전압이 디스플레이에 표시된 두 배가됩니다! 이것은 예를 들어 많은 구형 HP / 애질런트 임의 파형 및 펄스 발생기의 경우입니다. 최신 신호 생성 장비는 종종 사용자에게 '50 Ohm'또는 'High-Z'부하에 대한 출력을 설정할 수있는 가능성을 제공하므로 사용자는 디스플레이에 Vgen을 표시하는이 두 가지 모드 중에서 선택하여 잘못된 판독 가능성을 극대화 할 수 있습니다. 내부 50Ohm 저항기는 선택한 모드와 관계없이 발전기 출력에 연결됩니다. 저항기는 'High-Z'모드에도 있습니다. 디스플레이에 표시된 전압만 예상 부하에 따라 변경됩니다.
이 모든 것은 부하가 연결된 발전기의 실제 출력 전압이 사용되는 발전기의 유형과 부하의 임피던스에 따라 2V_gen, V_gen 또는 V_gen/2 (또는 다른 부분)가 될 수 있음을 의미합니다. 신호 발생기 디스플레이가 말하는 것과 관계없이 전압계 또는 오실로스코프와 같이 부하의 전압을 독립적으로 확인하는 것이 중요합니다. 익숙하지 않은 (또는 다른 사람의) 장비를 사용하는 경우 특히 그렇습니다. 전원 공급 장치는 일반적으로 출력 저항이 무시할 수 있습니다. 여기서 디스플레이의 출력 전압은 부하가 너무 많은 전류를 소비하여 전원 공급 장치의 전류 제한에 도달하지 않는 한 부하의 전압에 해당합니다.
신호 전파 및 반사 50Ohm 저항기가 자주 사용되는
이유는 다음과 같습니다. 동축('동축') 케이블이 전압 소스 V에 연결되면 소스의 출력 전압이 케이블의 맨 끝에 순간적으로 도달하지 않습니다. 소스의 전압이 케이블로 얼마나 빨리 이동하는지는 전파 전압이 전자기파를 설정하기 때문에 빛의 속도에 의해 결정됩니다. 케이블의 전파 속도는 인자 sqrt(epsilon_r)에 의해 여유 공간에서의 빛의 속도보다 약간 작으며, 이는 케이블의 내부 절연체의 유전 상수인 것을 epsilon_r한다. 전압이 케이블의 맨 끝에 도달하지 않은 한, 전압 소스는 전압 V가 전파되도록 에너지를 제공하기 위해 케이블에 전원을 덤핑합니다. 이 전력을 공급하기 위해 전류도 케이블로 흐르고 있습니다. 필요한 전류량은 케이블의 '특성 임피던스' R을 결정합니다. 동축 케이블의 경우 이러한 특성 임피던스는 일반적으로 50Ohm(측정 장비의 표준) 또는 75Ohm(TV 케이블 표준)의 실제 저항입니다. 즉, 전압 소스의 전압 (케이블을 연결 한 후)의 전압이 맨 끝으로 이동하지 않는 한 I = V / R (옴의 법칙)의 전류가 케이블로 흐릅니다.
물론이 전류는 케이블이 무한히 길지 않으면 영원히 흐르지 않습니다. 전압이 케이블의 끝에 도달하면 케이블의 맨 끝에 연결된 내용에 따라 발생합니다. 케이블의 맨 끝에 단락이 있으면 전류가 단락을 통해 흐르고 반대 극성의 반사 전압을 설정하여 원래 파동을 취소하고 전압 소스로 다시 이동합니다. 케이블이 개방 회로인 경우, 반사파는 이미 존재하는 전압을 강화하고 일시적으로 케이블의 전압을 두 배로 증가시킵니다. 두 상황 모두 왜곡 된 파형을 발생시키고 구형파가 케이블 아래로 보내지고 오실로스코프로 가까운 끝과 맨 끝에서 모양이 모니터링되면 쉽게 볼 수 있습니다. 구형파의 가장자리가 빠르고, 구형파의 주파수가 높을수록 구형파가 더 왜곡됩니다. 마찬가지로, 이러한 상황 하에서, 사인파의 진폭은 그들의 주파수에 의존할 것이다.
그러나 50 옴 저항기가 연결된 경우 케이블의 맨 끝인 이 50Ohm 저항기는 전파 전압을 무한 길이의 50Ohm 케이블과 정확히 동일하게 보이며 반사가 발생하지 않습니다. 신호는 케이블의 끝과 마주치지 않은 것처럼 그대로 유지됩니다. 따라서 전압은 소스에서와 똑같이 보입니다. 이것이 50 옴 출력 및 입력 저항을 사용하는 이유입니다 : 일치하는 50 옴 케이블을 사용하면 반사가 없으며 신호 무결성이 매우 높은 주파수까지 보존됩니다. 케이블이하는 유일한 일은 신호가 케이블에 들어갔을 때와 다른 쪽에 나타날 때 사이에 시간 지연을 일으키는 것입니다.
BTC Instrumentation에서 사용할 수있는 매우 통찰력있는 영화가 있으며, 위에서 논의 된 케이블 이론은 간단한 실험으로 입증됩니다 (그림 2). 함수 생성기는 케이블에 연결되며, 맨 끝에 전위차계(가변 저항기)가 있습니다. 저항기가 단락에서 50 Ohm으로 높은 저항으로 변경됨에 따라 전위차계에 의해 설정된 저항의 값에 따라 반사가 나타나고 사라진 다음 다시 나타나는 것을 쉽게 볼 수 있습니다. 영화는 여기에서 액세스 할 수 있습니다.

그림 2. 케이블 반사
의 데모 고전압 증폭기 입력 임피던스
다른 Falco 시스템 고전압 증폭기는 광범위한 입력 저항 값을 갖습니다. 이러한 서로 다른 입력 저항은 일반적인 50Ohm 출력 저항으로 발전기에 서로 다른 부하 조건을 제공합니다. WMA-300 및 WMA-320 모델은 고속 고전압 증폭기입니다. 이 제품은 >1MHz의 최대 작동 주파수에서 기대할 수 있는 것처럼 50Ohm 입력 저항을 가집니다. WMA-200 및 WMA-280 저잡음 고전압 증폭기는 1kOhm 입력 저항을 가지며, 상대적으로 낮은 값의 입력 저항기는 저잡음을 나타낸다. 범용 WMA-100 및 WMA-005/-01/-02 고전압 증폭기는 100kOhm의 입력 저항을 가지며 발전기에 무시할 수 있는 부하를 제공합니다. 증폭기의 입력에 걸쳐 실제로 존재할 발전기 디스플레이에 설정된 전압의 분율은 수학식 1로 계산할 수 있다. 이 분수 (증폭기 입력에서 사용할 수 있음)는 증폭기의 명시된 증폭 계수에 의해 증폭됩니다! 이 표는 50 Ohm 발전기 소스 저항을 가정하여 증폭기 입력에서 사용 가능한 발전기 신호의 분율을 보여줍니다.

실제 사용 전에 고전압 증폭기의 입력에서 신호 전압을 실제로 측정하는 것이 얼마나 중요한지 충분히 강조 할 수는 없습니다. 도 3은 입출력 전압을 산출하는 간단한 측정 셋업을 보여주며, 고전압 증폭기의 증폭 계수를 확인하는 것이 바람직한 방법이다.

그림 3. 증폭기의 입력 및 출력 전압을 동시에 표시하여 고전압 증폭기
이득을 측정하기 위한 설정 50 Ohm (또는 이와 유사한) 출력 저항을 갖는 고전압 증폭기 자체도 종종 출력 저항
을 갖는다. 이 저항은 대부분 정전 용량 부하 조건에서 증폭기의 오버슛을 방지하기 위해 존재합니다. 네거티브 피드백은 sp를 최적화하기 위해 이러한 증폭기에 사용됩니다.eed, 잡음 및 증폭 정확도는 증폭기의 출력 신호가 입력 신호에 비해 너무 많이 지연되지 않는 경우에만 잘 작동합니다. 증폭기 출력의 용량성 로딩은 이러한 시간 지연을 야기할 것이다. 커패시터는 커패시터에 흐르는 전류에 의해 충전되어야 하며, 이를 통해 전압을 변경해야 하며, 이는 시간이 걸립니다. 정전 용량이 증가함에 따라 이 시간이 길어지면 증폭기의 네거티브 피드백 루프가 유지될 수 없으며 오버슛이 나타납니다. 증폭기의 출력 저항기는 증폭기의 출력을 부하에서 '분리'하고 이러한 오버슛이 발생하는 것을 방지합니다. 그 차이는 50 옴 출력 저항기를 갖는 WMA-200 고전압 증폭기와이 저항기가없는 WMA-280의 동작에서 볼 수 있으며 거의 0 옴의 출력 저항을 갖는다. 두 증폭기 모두에 대한 정전 용량 부하의 효과는 그림 4에 설명되어 있습니다.

출력 저항기 없는 WMA-280(50옴 출력 저항기
