Por que as impedâncias de entrada do osciloscópio são tão baixas?

Minha pergunta é dupla:

De onde vem a impedância de entrada?

Gostaria de saber de onde vem a impedância de entrada do seu multímetro ou osciloscópio médio? É apenas a impedância de entrada para o estágio de entrada do dispositivo (como um amplificador ou estágio de entrada ADC) ou é a impedância de um resistor real ? Se é a impedância de um resistor real, então por que existe um resistor? Por que não apenas o circuito de entrada?

Eu medi a impedância de entrada do meu osciloscópio com um DMM. Quando o osciloscópio foi desligado, o DMM mediu cerca de $1.2\mathrm{M\Omega}$ . No entanto, quando o escopo foi ativado, o DMM mediu exatamente exatamente (eu pude ver a entrada de teste de 1V aplicada pelo DMM na tela do osciloscópio!). Isso me sugere que há circuitos ativos envolvidos na impedância de entrada do osciloscópio. Se isso for verdade, como a impedância de entrada pode ser controlada com tanta precisão? Com base no meu entendimento, a impedância de entrada ao circuito ativo dependerá um pouco das características exatas do transistor.$1\mathrm{M\Omega}$

Por que a impedância de entrada não pode ser muito maior?

Por que a impedância de entrada de um osciloscópio é padrão ? Por que não pode ser maior que isso? Os estágios de entrada FET podem obter impedâncias de entrada da ordem dos teraohms! Por que ter uma impedância de entrada tão baixa?$1\mathrm{M\Omega}$

Suponho que um benefício de um padrão preciso seja o de permitir 10X sondas e similares, o que só funcionaria se o osciloscópio tivesse uma impedância de entrada precisa que não fosse excessivamente grande (como a de uma entrada FET etapa). No entanto, mesmo que o osciloscópio tenha uma impedância de entrada realmente alta (por exemplo, teraohms), parece-me que você ainda pode ter sondas 10X apenas com um divisor de tensão 10: 1 dentro da própria sonda, com o osciloscópio medindo resistor dentro da sonda. Se houvesse uma impedância de entrada da ordem dos teraohms, isso pareceria viável.$1\mathrm{M\Omega}$$1\mathrm{M\Omega}$

Estou entendendo mal o circuito de entrada de um escopo? É mais complicado do que estou imaginando? Quais são seus pensamentos sobre isso?

A razão pela qual pensei nisso é que recentemente tentei medir a impedância de entrada em modo comum de um par diferencial acoplado a emissor, que é muito maior que a impedância de entrada do osciloscópio, por isso me fez pensar por que a impedância de entrada pode seja maior.

Eu diria uma combinação de alguns fatores.

1. Os estágios de entrada de um osciloscópio são um compromisso difícil. Eles precisam ter uma ampla variedade de ganhos / atenuações, precisam tolerar erros do usuário e precisam passar altas larguras de banda. Adicionar um requisito para uma resistência DC muito alta complicaria ainda mais as coisas. Em particular, os atenuadores necessários para lidar com a extremidade superior da faixa do nível de entrada dos escopos seriam muito mais complexos / sensíveis se precisassem ter uma resistência DC muito alta.
2. É um padrão de fato, mudar para outra coisa levaria a incompatibilidades com sondas existentes etc.
3. De qualquer forma, não haveria muitos benefícios.

Para explicar melhor o ponto 3, em frequências moderadas (de alguns quilohertz para cima), a resistência CC de 1 megohm da entrada do osciloscópio não é o fator dominante na impedância geral de entrada. O fator dominante é a capacitância, com o cabo fazendo provavelmente a maior contribuição.

(na verdade, nas frequências UHF / microondas, é comum reduzir a impedância de entrada do osciloscópio para 50 ohm, para que a indutância no cabo possa equilibrar a capacitância e o cabo se torne uma linha de transmissão adequada)

O que isso significa é que, se altas impedâncias de entrada são desejáveis, é muito melhor lidar com isso no ponto de sondagem do que no escopo. O comprometimento típico da impedância de custo / flexibilidade / entrada para uso geral é uma sonda passiva x10.

Se você precisar de uma resistência CC realmente alta, a solução é adicionar um amplificador baseado em FET na frente do osciloscópio, de preferência o mais próximo possível do ponto de medição.

Muitas coisas são do jeito que são por causa da história e da padronização de fato .

Uma entrada de osciloscópio de uso geral é um compromisso difícil entre não carregar o circuito, não ser danificado por alta tensão, ter ruído razoavelmente baixo e ser capaz de manter uma largura de banda decente.

1Mohm em paralelo com 15pF a 30pF satisfaz muitas pessoas para muitas aplicações. Há pouco incentivo para os fabricantes construírem um osciloscópio de uso geral com uma entrada diferente, para abordar pequenas partes do mercado.

Quando você precisar de melhor ruído, entrada diferencial ou impedância de entrada mais alta, use um pré-amplificador personalizado. Quando você precisar de uma largura de banda maior, alterne para uma impedância de entrada de 50 ohm.

Existem osciloscópios para fins especiais feitos a preços altos que atendem a aplicações de nicho.

Na verdade, é ridiculamente alto para uma entrada de banda larga.

Não há conector ou cabo prático que realmente tenha uma impedância (do ponto de vista da linha de transmissão. Resistência, mas para cabos coaxiais, platers e encanadores com guia de ondas. Caras de RF.) De 1 megaohms, deixando a entrada totalmente incompatível - ainda pior, um capacitor de 15-45pf através de uma entrada de 1 megaohm (impedância da linha de transmissão) não combinaria com o esquecimento.

A razão de 1 megaohm é para suportar as sondas padrão 10: 1, que você realmente não precisa sobrecarregar o tipo de circuito que transmite sinais de frequência de áudio com alta impedância e com alto desvio CC (pense em circuitos de tubo de vácuo a áudio, os designs das sondas são: apenas naquela época).

No entanto, quando você lida com RF ou circuitos digitais rápidos, a capacitância paralela da entrada do osciloscópio (que você não pode tornar muito pequena, novamente por causa de sondas, cabos, conectores) dominará ... e trará a resistência real da entrada dessa entrada até 5 a 10 kiloohms quando você atingir um megahertz, 500 a 1000 ohms quando atingir 10 megahertz. Alcance VHF (dica: o circuito ACMOS ou F-TTL é um material VHF, mesmo que você não faça o clock em VHF) e seria melhor com uma entrada de 50 Ohm correspondente, pois você pode conectar um (dentro da razão) longa 50 Ohm cabo e ainda tem uma entrada de 50 Ohm na extremidade do circuito, em vez de uma carga capacitiva ainda maior.

Com o tipo convencional de sonda e entrada, você sobrecarregará os circuitos de RF facilmente. Os osciloscópios otimizados para RF tendem a ter entradas que podem ser comutadas para impedância de entrada de 50 Ohm (qualquer entrada do osciloscópio pode, com um terminador paralelo / passante) - o que é interessante, melhor, adequado, pois agora você pode usar sondas (por exemplo, sondas Z0 ou ativas). Sondas FET) que realmente podem ser feitas para apresentar impedâncias efetivas de entrada muito mais altas no ponto de sondagem. Ou apenas forneça uma conexão confiável de 50 Ohm ao seu circuito com qualquer cabo RG58 antigo.