¿Por qué las impedancias de entrada del osciloscopio son tan bajas?

Yo diría que una combinación de algunos factores.

1. Las etapas de entrada de un osciloscopio son un compromiso difícil. Deben tener una amplia gama de ganancias/atenuaciones, deben ser tolerantes con los errores del usuario y deben pasar anchos de banda altos. Agregar un requisito para una resistencia de CC muy alta solo complicaría aún más las cosas. En particular, los atenuadores necesarios para manejar el extremo superior del rango de nivel de entrada de los osciloscopios se volverían mucho más complejos/sensibles si necesitaran una resistencia de CC muy alta.
2. Es un estándar de facto, cambiar a otra cosa daría lugar a incompatibilidades con las sondas existentes, etc.
3. No habría mucho beneficio de todos modos.

Para explicar mejor el punto 3, a frecuencias moderadas (desde unos pocos kilohercios hacia arriba), la resistencia de CC de 1 megaohmio de la entrada del osciloscopio no es el factor dominante en la impedancia de entrada general. El factor dominante es la capacitancia, con el cable haciendo probablemente la mayor contribución.

(de hecho, en frecuencias UHF/microondas, es común reducir la impedancia de entrada del osciloscopio a 50 ohmios, de modo que la inductancia en el cable pueda equilibrar la capacitancia y el cable se convierta en una línea de transmisión adecuada)

Lo que esto significa es que si se desean impedancias de entrada altas, entonces es mucho mejor lidiar con eso en el punto de sondeo que en el osciloscopio. El compromiso típico de costo/flexibilidad/impedancia de entrada para uso general es una sonda pasiva x10.

Si necesita una resistencia de CC realmente alta, la solución es agregar un amplificador basado en FET frente al osciloscopio, preferiblemente lo más cerca posible del punto de medición.

Muchas cosas son como son debido a la historia y la estandarización de facto .

Una entrada de osciloscopio de propósito general es un compromiso difícil entre no cargar el circuito, no ser dañado por alto voltaje, tener un ruido razonablemente bajo y poder mantener un ancho de banda decente.

1 MΩ en paralelo con 15 pF a 30 pF satisface a muchas personas para muchas aplicaciones. Hay pocos incentivos para que los fabricantes construyan un osciloscopio de uso general con una entrada diferente, para abordar pequeñas partes del mercado.

Cuando necesite un mejor ruido, o una entrada diferencial, o una impedancia de entrada más alta, entonces use un preamplificador personalizado. Cuando necesita un ancho de banda más amplio, cambia a una impedancia de entrada de 50 ohmios.

Hay osciloscopios de propósito especial hechos a precios altos que abordan aplicaciones de nicho.

En realidad, es ridículamente alto para una entrada de banda ancha.

No existe un conector o cable práctico que realmente tenga una impedancia (desde el punto de vista de la línea de transmisión. Resistencia, pero para cableadores coaxiales, chapadores de oro y plomeros de guía de ondas. Tipos de RF.) de 1 megaohmio, lo que deja la entrada totalmente desadaptada, lo que es peor, un condensador de 15-45pf a través de una entrada de 1 megaohmio (impedancia de línea de transmisión) lo desequilibraría hasta el olvido.

La razón por la que es de 1 megaohmio es para admitir sondas estándar 10:1, que de hecho necesita para no sobrecargar el tipo de circuito que transporta señales de frecuencia de audio a alta impedancia y con un alto desplazamiento de CC (piense en circuitos de tubo de vacío de audio, los diseños de sonda son de sólo esa época).

Sin embargo, una vez que esté tratando con RF o circuitos digitales rápidos, la capacitancia paralela de la entrada del osciloscopio (que no puede hacer demasiado pequeña, nuevamente debido a las sondas, cables, conectores) dominará ... y traerá la resistencia de entrada real de esa entrada hasta 5 a 10 kiloohmios una vez que alcanzas un megahercio, 500 a 1000 ohmios una vez que alcanzas los 10 megahercios. Alcance VHF (pista: el circuito ACMOS o F-TTL es material VHF incluso si no lo registra en VHF) y sería mejor con una entrada combinada de 50 ohmios, ya que podría conectar un (dentro de lo razonable) largo 50 ohmios cable y todavía tiene una entrada de 50 ohmios en el extremo del circuito, en lugar de una carga capacitiva aún mayor.

Con el tipo convencional de sonda y entrada, sobrecargará fácilmente los circuitos de RF. Los osciloscopios optimizados para RF tienden a tener entradas que se pueden cambiar a una impedancia de entrada de 50 ohmios (cualquier entrada de osciloscopio puede hacerlo, con un terminador paralelo/pasante), lo cual es, curiosamente, MEJOR adecuado, ya que ahora puede usar sondas (por ejemplo, sondas Z0 o sondas activas). sondas FET) que en realidad se pueden hacer para presentar impedancias de entrada efectivas mucho más altas en el punto de la sonda. O simplemente proporcione una conexión confiable de 50 ohmios a su circuito con cualquier cable RG58 antiguo.

La mayoría de los osciloscopios tienen un atenuador de entrada compensado para configurar la señal de entrada a un voltaje en el rango de la etapa de entrada que normalmente tendrá la mayor sensibilidad del osciloscopio.

Este atenuador generalmente se diseña asumiendo una impedancia de entrada de 1 megaohmio, por lo que la impedancia de entrada que se ve en el conector de entrada generalmente es el resultado de una resistencia física.

Si la impedancia medida cambia cuando el osciloscopio recibe alimentación, probablemente signifique que hay relés que controlan el atenuador de entrada que no están activados en el estado sin alimentación.

Puede haber una selección de mayor sensibilidad con un ancho de banda reducido que se maneja aumentando la ganancia del amplificador. La selección de ganancia también se puede controlar mediante una combinación de variación de la ganancia del amplificador y el atenuador de entrada.

En la sección esquemática adjunta, la resistencia R108 proporciona la resistencia de entrada de 1 megaohmio cuando se selecciona la sensibilidad más alta. La entrada JFET Q101 tiene una resistencia de entrada esencialmente infinita. las capacitancias parásitas forman la capacitancia vista en la entrada en la posición de mayor ganancia.

Con ganancias más bajas, las resistencias R102, R103 y R104 (junto con R105, R106 y R107) que forman el atenuador de entrada determinan la resistencia de entrada.

Los trimmers C107, C108 y C109 se utilizan para ajustar la capacitancia de entrada en las selecciones de sensibilidad más baja para que sea igual que en la configuración de sensibilidad alta.

Anexo, desde una vista de DC, también sobre multímetros:

Hay multímetros/voltímetros de banco que tienen una resistencia de entrada de CC mucho, mucho más alta (aún así, no una impedancia de entrada mucho más alta en RF). El uso de un dispositivo de este tipo en realidad resultará extremadamente confuso para el usuario "promedio" (sin duda lo sería para alguien que trabaje en cableado doméstico, vehículos, maquinaria en lugar de proyectos de electrónica a nivel de componentes): Cuando los cables de prueba no están conectados a nada o a un circuito abierto, cualquier capacitancia en los cables de prueba, circuitos de entrada, etc. se cargará con cualquier campo eléctrico cercano, lo que generará una visualización de valores completamente aleatorios en lugar de cero voltios (intente trabajar con un multímetro de banco de resistencia de entrada de 100 GOhm, verá solo estos efectos en la práctica...).

Además, un dispositivo con una resistencia de entrada de teraohmios deberá ser extremadamente resistente a la electricidad estática, ya que NO puede disipar inherentemente las cargas de potencialmente miles de voltios que se encuentran fácilmente en el entorno, y un circuito de protección ESD que de manera confiable no introduce las resistencias de fuga o, peor aún, los sumideros de corriente de fuga que comprometerían la alta resistencia de entrada parecen ser difíciles de hacer ...

Por cierto, además, la mayoría de los multímetros manuales (no todos los de banco) usan trucos bastante sofisticados (por ejemplo, usar un reloj ADC que tiene una relación con la frecuencia de la red de la región en la que se venden) para filtrar el zumbido de la red de los resultados, lo que de otro modo conduciría nuevamente a resultados inestables y aleatorios incluso a 1MOhm o 10MOhm "bajos" (compare una sonda de osciloscopio de circuito abierto ... sin embargo, en un DMM, hay muchas más posibilidades de mala interpretación).

¿Por qué la impedancia de entrada de un osciloscopio es un estándar de 1 MΩ? ¿Por qué no puede ser más alto que eso? ¡Las etapas de entrada FET pueden alcanzar impedancias de entrada del orden de teraohmios! ¿Por qué tener una impedancia de entrada tan baja?

La razón por la que es de 1 MΩ en lugar del valor mucho más alto que puede lograr un FET es que los osciloscopios originalmente usaban tubos de vacío . La resistencia máxima de polarización de la rejilla del tubo se fijó generalmente en ~1 MΩ para minimizar el efecto de la corriente de fuga de la rejilla, que suele estar en la región de 0,1 μA. Cuando los FET estuvieron disponibles, el estándar de 1 MΩ ya estaba bien establecido.

Dado que generalmente se usa una sonda 10x (más para reducir la capacitancia de la sonda que para aumentar la resistencia), esta resistencia de entrada "baja" no suele ser un problema. Si se requiere una mayor resistencia de entrada sin atenuación, se puede usar una sonda 'activa'.