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

Mi pregunta es doble:

¿De dónde viene la impedancia de entrada?

Me pregunto de dónde viene la impedancia de entrada de su multímetro u osciloscopio promedio. ¿Es solo la impedancia de entrada a la etapa de entrada del dispositivo (como un amplificador o etapa de entrada de ADC), o es la impedancia de un real resistencia ? Si es la impedancia de una resistencia real, ¿por qué hay una resistencia? ¿Por qué no solo los circuitos de entrada?

Medí la impedancia de entrada de mi osciloscopio con un DMM. Cuando se apagó el osciloscopio, el DMM midió aproximadamente $1.2\mathrm{M\Omega}$ . Sin embargo, cuando se encendió el osciloscopio, el DMM midió casi exactamente $1\mathrm{M\Omega}$ (¡incluso pude ver la entrada de prueba de 1V aplicada por el DMM en la pantalla del osciloscopio!). Esto me sugiere que hay un circuito activo involucrado en la impedancia de entrada del osciloscopio. Si esto es cierto, ¿cómo se puede controlar con tanta precisión la impedancia de entrada? Según mi comprensión, la impedancia de entrada a los circuitos activos dependerá en cierta medida de las características exactas del transistor.

¿Por qué la impedancia de entrada no puede ser mucho mayor?

¿Por qué la impedancia de entrada de un osciloscopio es de 1 M Ω estándar?$1\mathrm{M\Omega}$ ? ¿Por qué no puede ser más alto que eso? ¡Las etapas de entrada FET pueden lograr impedancias de entrada del orden de teraohmios! ¿Por qué tener una impedancia de entrada tan baja?

Supongo que una ventaja de un estándar preciso de $1\mathrm{M\Omega}$ es que permite sondas 10X y similares, lo que solo funcionaría si el alcance tuviera una impedancia de entrada precisa que no fuera demasiado grande (como la de una etapa de entrada FET). Sin embargo, incluso si el osciloscopio tenía una impedancia de entrada realmente alta (p. Ej., Teraohmios), me parece que todavía podría tener sondas 10X simplemente teniendo un divisor de voltaje 10: 1 dentro de la sonda, con el osciloscopio midiendo a través de un $1\mathrm{M\Omega}$ Resistencia M Ω dentro de la sonda. Si tuviera una impedancia de entrada del orden de teraohms, esto parecería factible.

¿Estoy malinterpretando los circuitos de entrada de un osciloscopio? ¿Es más complicado de lo que pretendo que sea? ¿Qué piensas sobre esto?

La razón por la que pensé en esto es que recientemente he estado tratando de medir la impedancia de entrada en modo común de un par diferencial acoplado por emisor, que es mucho más grande que la impedancia de entrada del alcance, por lo que me pregunto por qué la impedancia de entrada puede No seas más grande.

Yo diría 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 DC muy alta complicaría aún más las cosas. En particular, los atenuadores necesarios para manejar el extremo superior del rango de nivel de entrada de los ámbitos se volverían mucho más complejos / sensibles si necesitaran una resistencia de CC muy alta.
2. Es un estándar de facto, cambiar a otra cosa conduciría a incompatibilidades con sondas existentes, etc.
3. No habría mucho beneficio de todos modos.

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

(de hecho, a frecuencias UHF / microondas, es común reducir la impedancia de entrada del alcance a 50 ohmios, por lo que la inductancia en el cable puede equilibrar la capacitancia y el cable se convierte en una línea de transmisión adecuadamente adaptada)

Lo que esto significa es que si son deseables altas impedancias de entrada, es mucho mejor lidiar con eso en el punto de sondeo que en el alcance. 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 delante del 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 uso general es un compromiso difícil entre no cargar el circuito, no ser dañado por un alto voltaje, tener un ruido razonablemente bajo y ser capaz de mantener un ancho de banda decente.

1Mohm en paralelo con 15pF a 30pF 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 necesita un mejor ruido, o una entrada diferencial, o una impedancia de entrada más alta, entonces usa un preamplificador personalizado. Cuando necesite un ancho de banda más amplio, cambie a una impedancia de entrada de 50 ohmios.

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

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

No hay un conector o cable práctico que realmente tenga una impedancia (desde una vista de línea de transmisión. Resistencia, pero para cables coaxiales, placas de oro y plomería de guía de onda. Tipos de RF.) De 1 megaohmios, dejando la entrada completamente desajustada, lo que es peor, un condensador de 15-45pf a través de una entrada de 1 megaohmio (impedancia de línea de transmisión) no coincidiría con el olvido.

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

Sin embargo, una vez que esté lidiando con RF o circuitos digitales rápidos, la capacitancia paralela de la entrada del osciloscopio (que no puede hacer demasiado pequeña, de nuevo 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 10 megahercios. Llegue a VHF (sugerencia: los circuitos ACMOS o F-TTL son cosas de VHF incluso si no lo registra en VHF) y sería mejor con una entrada de 50 ohmios, ya que podría conectar un largo (dentro de lo razonable) de 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 los circuitos de RF fácilmente. Los osciloscopios optimizados con RF tienden a tener entradas que se pueden cambiar a una impedancia de entrada de 50 ohmios (cualquier entrada de osciloscopio puede, con un terminador paralelo / directo), lo que es, curiosamente, MEJOR, ya que ahora puede usar sondas (por ejemplo, sondas Z0 o activas Sondas FET) que en realidad pueden hacerse para presentar impedancias de entrada efectiva mucho más altas en el punto de la sonda. O simplemente proporcione una conexión confiable de 50 Ohm a su circuito con cualquier cable RG58 viejo.