オシロスコープの入力抵抗とコンデンサは何をしますか？

オシロスコープの使用方法、オシロスコープの使用方法に関するYouTubeビデオを視聴しました。

オシロスコープの各入力ポートに並列に接続された16 pFの容量と1 Mohmの抵抗があると書かれています。しかし、なぜ内部にコンデンサーと抵抗器があるのか​​、そしてそれらの目的が何であるのか私はまだ理解していません。

なぜそれらが入力ポートにあるのですか？彼らは何をしますか？

スコープの入力に無限の抵抗とゼロの静電容量があればそれは本当に素晴らしいことですが、残念ながらそれは不可能です。敏感な入力アンプは常に少量の入力容量を持ち、アンプの入力から常にわずかな漏れ電流があります。スコープのリードも忘れないでください。長さが1メートルで、簡単に10 pFになる可能性があります。

漏れ電流を数ミリボルトのオフセットに変換するには、1 Mオームの抵抗で十分です。つまり、重要度の誤った測定を行わないように十分に小さい抵抗です。したがって、1 Mohmと1 nAのリークがある場合、プローブチップとアースを一緒に接続すると、スコープ内でミリボルトのオフセットが変化します。ノイズの問題もあります。プローブが接続されておらず、ディスプレイに100 mVp-pのリップルが見られた場合、感動することはまずありません。

1MΩの抵抗と（たとえば）15 pFのコンデンサは、プローブが接続されていないときにローパス回路を形成し、その後約15 kHzのノイズ帯域幅を持ちます。スコープのアナログチャネルに（たとえば）10 uV /ノイズがある場合、リップルは約1 mV RMSまたは約6 mVp-p（シックスシグマ計算）になります。分析するのはこれよりはるかに複雑ですが、うまくいけば、私の単純な計算は、プローブが回路に接続されていない場合、スコープのパフォーマンスがそれほど良くない印象を与える可能性があると考える他のことがあることを示唆しています。$\sqrt{Hz}$

これに加えて、メーカー間で標準化するすべてのスコープの必要性は、1 Mohmが一般的に受け入れられることを意味します。

オシロスコープの入力インピーダンスは、幅広い入力信号に対応するために、特別な理由で制限されています。一般に、入力感度（電圧範囲）は5〜10 Vに制限されています。今日の電子機器では十分ですが、以前は100〜200〜600 V信号の真空管アンプで作業していました。したがって、信号を10倍から100倍減衰するプローブが必要です。これは、分圧器である、いわゆる「パッシブプローブ」で行われました。

したがって、分圧器を入手するには、入力インピーダンスを制限する必要があるため、1 Mオームが妥当な値であり、10倍の減衰では、プローブ抵抗は9 Mオームでなければなりません。ユーザーの便宜のために、長さ1メートルのケーブルも用意されています。これらの必要なすべてのコンポーネントには寄生容量があり、この素晴らしい記事で説明されています。

したがって、9 Mohm：1 Mohmの抵抗は、DC信号に対して10：1の分圧器を提供します。ただし、AC信号の場合、プローブヘッドの寄生容量により9 Mohmよりも実質的に低いインピーダンスが生じます。これは、高周波信号に対して同じ減衰を維持し、AC信号の実際の形状を維持するために補償する必要があります。そして、それは広範囲の周波数に対して行われるべきです。これは、いくつかの入力容量を追加することによって行われるため、分周器は「周波数にとらわれない」ものです。

実際のところ、この静電容量は普遍的なものではなく、メーカーごと、さらにはスコープモデルごとに異なります。その結果、パッシブ10Xプローブは完全に互換性がなく、AC補償が失敗する可能性があります。さまざまなスコープで8 pF、10 pF、13 pFの入力を見てきました。

要約すると、オシロスコープの入力インピーダンス値は、周波数補償された1：10/1：100プローブに対応するように設計されています。

バランスのとれた10：1のシンプルなディバイダーを実現するために、ケーブル容量はプローブで調整され、標準の75Ω同軸よりも低いケーブル容量に一致し、おそらく100Ω（カスタム）同軸、おそらく10 pF / ft（ 33 pF / ft）。

オシロスコープのプリアンプと同軸フィードの各設計では、静電容量の定格が異なりますが、1MΩの抵抗が標準です。したがって、オシロスコープのプローブとオシロスコープは、フロントパネルの方形波テストポートで校正して、方形応答を得る必要があります。より優れたプローブでは、誘導型の2段階のRCバランスもあります。

ただし、グランドリードのインダクタンスは補償されないため、f> 10 MHzまたは立ち上がり時間<30 nsの測定では、2つのピン間のチップとバレルを使用して、グランドストラップの長さを大幅に削減または排除する必要があります。

ADC設計者の1人がオシロスコープのフロントエンドの設計について説明しました。ここで確認してください。

https://www.youtube.com/playlist?list=PLzHyxysSubUmxGOMVpiKLxouweh2AAlG1

オシロスコープのフロントエンドとADCがどのように連携するかについて、多くの詳細に触れました。

プローブの抵抗と静電容量は分圧器の1つのセクションを形成し、スコープの抵抗とケーブルとスコープの結合静電容量は他のセクションを形成します。方形波ソースでは、スコープに方形波を表示するように可変コンデンサーが調整されます。プローブの静電容量が多すぎると、方形波ディスプレイにオーバーシュート（とがった尖った角）が表示されます。容量が小さすぎると、アンダーシュートが発生します（角が丸くなります）。このシステムの目標は、スコープの信号をプローブする信号の代表にすることです。これは、プローブのRC時定数がケーブル+スコープのRC時定数と同じ場合に発生します。

もちろん、高周波で非常に高インピーダンスの信号源をプローブしている場合は、問題が発生する可能性があります。その場合、波形を正確に表現するには、何らかの絶縁アンプが必要になります。