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开源光隔离示波器探头解读

云深无际

发布于 2025-05-21 06:22:44

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前段时间有个读者问这个，现在补一下。先简单的说说现在的示波器探头吧（图是Tek的一个文章的，就是他们的排版比我的还烂）：

四种电压探头电路模型：

类型	特点	是否隔离	应用场景
1. 高阻无源探头	结构简单，通用性强	否	通用电路测量（10:1 衰减）
2. 有源单端探头	小输入电容，精度高	否	高阻抗、小信号
3. 有源高压差分探头	高 CMRR，带宽高	否	高速开关、功率器件 VGS
4. 光隔离探头	电气完全隔离，抗共模干扰强	是	SiC / GaN 栅极、高压浮地测量

高阻无源探头（经典 10× 探头）

常见的

前端串联电阻 Rt（≈9 MΩ）与寄生电容 Ct；地线部分含有寄生电感 Lg；内部传输线等效为 RLGC 模型；补偿器部分为 Rc + Cc 串联结构，实现频域补偿。

通过调整 Cc，使时间常数匹配：

Rc 控制高频匹配，改善带宽平坦性。

有源单端探头

衰减器（典型 5×）；缓冲器（FET输入 + 运放）；无损传输线（Z₀=50Ω）与端口阻抗匹配。

缓冲器具备高输入阻抗与强驱动能力；将衰减器尽量靠近测试点，减少寄生误差；保证信号路径阻抗连续，避免反射。

有源高压差分探头

价格适中

两路衰减器 + 缓冲器；差分放大器（用于共模抑制）；输出通过 50Ω 无损传输线进入示波器。

共模抑制比（CMRR）影响因素：

两通道路径不对称（器件参数、PCB布局）；
差分放大器本身 CMRR 不足。

光隔离探头

买不起

结构分区：

衰减器（电阻分压，适配测量范围）；电–光转换器（LED 发射）；光纤传输（实现电气隔离）；光–电转换器（光电二极管）；后端控制器（运放缓冲 / 放大）；输出接口（50Ω匹配 BNC）。

优势：

项目	说明
电气隔离	测试对象与示波器完全无电连接
高共模抑制	抑制 dv/dt、共模跳变引入的误信号
高频响应好	带宽可达 100 MHz ~ 1 GHz（取决于设计）
安全性高	可用于数百伏到数千伏的高压浮地系统

探头模型对比

探头类型	带宽	输入阻抗	隔离性	CMRR	典型应用
高阻无源	100–500 MHz	10 MΩ		✘	低频通用
有源单端	500 MHz–1 GHz	高	没有	高频信号、小电容测量
有源差分	200 MHz–>1 GHz	1 MΩ		✘	电源/功率器件差分测量
光隔离	25–>500 MHz	10 MΩ（可调）	是	GaN、SiC 高速栅极、浮地、高压差测量

光隔离探头的优势

技术优势	实际意义
光纤隔离	彻底断开测量路径与示波器地的耦合
高频带宽 + 高 CMRR	抑制尖峰、震荡、假信号，有效还原波形
可调衰减模块	支持宽电压测量范围，适应不同应用
安全可靠	不怕接地误差，不怕悬浮电压击穿探头或示波器
测试波形真实	不再误判驱动干扰、器件开关失真

Tek

需要注意的是，这个探头前面是有个电源的，隔离就隔离在了中间的传输级

昨天路上捡了一个光纤

我在网上搜下，这个探头卖这么贵的吗？搜了一下资料，发现设计资料也不多，有个YouTube的SignalPath讲的挺好，不过我也没有耐心看完，就用HackDay老哥的开源设计分析了。

老哥的这东西设计的也问题不少，首先就是带宽不够，其次就噪音崩了，不过无伤大雅，在理解概念上是可圈可点的。

指标	说明
带宽	实测约 35 MHz（通过白噪声源 + FFT 验证）
上升时间	10 ns，延迟 20 ns
增益精度	通过微调电位器可调（R23/R26）
偏移稳定性	加热后较为稳定，但仍受光纤挠曲影响
输入噪声	初始设计噪声较大，作者尝试使用 OPA847 / LT1819 组合并优化反馈电阻以降低振荡与噪声
成本控制	目标整体成本 <$50，包含 PCB、自制光纤接口和电源模块

测试发现高频段有自激问题，通过提升反馈电阻至 15k–39k 解决；实测输出噪声约 15mVrms（输入端等效 150mVrms），限制了探头的有效动态范围；考虑未来版本支持差分光纤收发，以消除 DC 漂移和漂移补偿问题；其中探头输入电容低、结构小巧，适合高频电路测试。

测量

这个蓝色的（青色的？）是上了隔离的曲线

               ┌────────────┐        光纤        ┌────────────┐
   模拟信号 → │ 输入衰减网络   │────→───╮    ╭───→│ 光电接收 + 放大 │───→ 示波器输出
               └────┬───────┘        ╰──IF-E91D │        │
                    │                          │         │
               ┌────▼─────┐                    │         ▼
               │ 前端放大  │                    │     BNC 输出
               │ (FET+OPA)│                    │
               └────┬─────┘                ┌───▼───┐
                    │                      │ IF-D91│
               ┌────▼────┐                 └───────┘
               │ 光发射器  │
               │ IF-E91D │
               └─────────┘

这个就是原理图，别慌，后面会说的

设计完成的样子，紫色的还是挺好看的

这是采集端，可以看到这个手工焊接，一大坨

这个是靠近示波器的一段

目标：构建一个成本低于 50 美元的光隔离探头，满足如下性能：

带宽：大于 30 MHz（目标 70 MHz）

输入电压范围：±50V（衰减比 10X）

噪声水平：低于 2mVrms

隔离方式：塑料光纤（POF） + LED 发射与光敏接收器件

探头由两个隔离部分组成：

1. 前端（隔离侧）

使用 FET 构建差分前置放大器；驱动 LED 发射器（IF-E91D）；电源：4节 AAA 电池（实现隔离供电）；负责将电压信号转换成光信号。

这个是发射器

IF-E91D ——一款由 Industrial Fiber Optics 出品的高速红外光发射器（IR LED），专门用于塑料光纤通信与隔离链路。

属性	说明
名称	IF-E91D
类型	红外高速发光二极管（IR LED）
封装	塑料封装，内置微透镜，适配标准 1mm 芯径塑料光纤
接口	无连接器（connector-less），支持快速插拔或螺纹锁紧固定
用途	用于短距离高速数据传输、隔离、通信、传感等场景

项目	数值
峰值波长（λpeak）	870 nm（红外）
光谱带宽（FWHM）	50 nm
上升/下降时间（tr / tf）	3 ns（非常快）
典型光功率输出	420 μW @ IF=20 mA（耦合到塑料光纤）
驱动电流（连续）	最大 60 mA（推荐典型 20–30 mA）
正向电压（VF）	1.38 ~ 1.58 V @ IF=20 mA
电容	60 pF（用于高速开关计算）
工作温度	-40°C ~ +85°C
光纤接口	支持 1000 μm 芯径塑料光纤（SH4001），耦合效率高

使用图

RA: 主限流电阻，设定恒定工作电流；

RB: 提供退关期间电压维持，提升关断速度；

CA: 并联脉冲电容，加快开关响应；

电流计算：

IRA = (VU1 - VF) / RA

IRB = (VCC - VF) / RB

总电流 = IRA + IRB

IF-E91D 的作用是将模拟电压信号（经前端运放放大）转换为随电压调制的光强信号，并通过塑料光纤传输到后端。输入驱动来自 OPA847 高速运放；被塑料光纤采集并送至接收端 IF-D91；这是实现电气隔离 + 模拟波形传输的关键组件。

这里说到了运放，那就写运放：

器件型号	通道数	芯片选择功能 (CS)	封装
MCP6041	单通道	否	SOT23-5 / SOIC
MCP6042	双通道	否	SOIC / MSOP
MCP6043	单通道	有	SOT23-6
MCP6044	四通道	否	SOIC / TSSOP

可以看看关心的参数：

参数	典型值	备注
静态电流 IQ	600 nA / 通道	极低功耗
工作电压范围	1.4V – 6.0V	支持单电源
增益带宽积 GBWP	14 kHz	低频应用为主
输入偏置电流	1 pA（25°C）	非常适合高阻抗信号（如光电二极管）
输入失调电压	±3 mV（典型）
轨到轨输入/输出	支持	VIN 和 VOUT 可覆盖 VSS 至 VDD

在光隔离探头电路中：

IF-D91 → MCP6042 → LT1819 → BNC → 示波器

其中 MCP6042 的作用是：

对从光电二极管 IF-D91 输出的微弱电流信号进行第一级低频缓冲放大，稳定并提升信号幅度，供后级高速放大器（LT1819）进一步处理。

这四个特性可以让作者选它：

特性	原因
超低功耗	非常适合前端低功率传感接口，减少系统耗电（如隔离侧电池供电）
极低偏置电流	确保连接高阻抗源（如光电二极管）时信号不失真
轨到轨输入输出	能稳定输出低幅度、接近电源轨的信号
足够带宽	14 kHz 虽不高，但对于从光电二极管输出的低速波形调理已经足够（目标带宽由 LT1819 再提速）

输入失调电压：分布在 ±3mV 内，且温漂小于 2 µV/°C；

共模抑制比 CMRR：80 dB（非常优秀）；

噪声性能：低频区（0.1–10 Hz）峰峰值电压噪声：5 µV；1 kHz 噪声密度约为 170 nV/√Hz，适用于一般隔离波形捕捉；

输出摆幅：可在 5V 电源下接近 0V–5V 输出；

短路电流能力：在 5.5V 电源下可提供 20 mA 驱动能力。

2. 后端（接收侧）

光电接收器（IF-D91）接收光信号；后置放大器（含 DC 偏移调节、电压增益调节）；电源：12V AC 插座变压器供电；输出到示波器进行波形显示。

就是这样的

详细说输入衰减器 + 前端差分放大

电压输入通过电阻分压（R1、R14、R15、R26），设置为 ±50V 满量程；采用 差分 MOSFET 输入（T1, T2：FDC6301N）进行隔离输入电平转换；使用 OPA847 作为前端放大器，驱动 LED 发射器（IF-E91D）；输出是 LED 调制的光信号，经塑料光纤发送到后端；

说说这个MOS：

onsemi

onsemi（安森美） 推出的 双通道 N 沟道数字场效应晶体管（Digital FET），采用小尺寸封装（TSOT-23-6）

下面我为你详细解读其结构、特性与典型应用，特别结合它在你上传的光隔离探头原理图中的应用。

参数	值
类型	双通道 N 沟道增强型 MOSFET
VDSS（最大漏源电压）	25 V
ID（连续漏极电流）	0.22 A（连续），0.5 A（脉冲）
RDS(on)（导通电阻）	5 Ω@2.7V，4 Ω@4.5V
VGS(th)（门极阈值电压）	0.65V ~ 1.5V（典型 0.85V）
ESD 抗扰度	6 kV（HBM 人体模型）
Ciss（输入电容）	9.5 pF（典型）
Qg（总门电荷）	0.49 nC（典型）
开关时间	ton：5 ns，toff：4 ns
封装	TSOT-23-6，双通道结构

门极驱动电压 VGS ≥ 2.7V 即可完全导通；非常适合与低电压数字信号（如 MCU/逻辑电路）直接连接；开关时间 ns 级别，适用于 MHz 级别应用；适配小信号驱动，不适合大电流负载（最大仅 0.5 A）；内建门极-源极齐纳管（Zener），可承受 6kV 静电放电，增强可靠性。

在光隔离探头中的作用

这里

[输入衰减网络] ──> [T1/T2: FDC6301N] ──> [OPA847] ──> [LED（IF-E91D）] ──> 光纤传输

T1 / T2 为对称式 N-FET，用于构成一个差分电压驱动的前置缓冲放大器；通过其导通特性，将输入电压转换为差动电流信号，驱动后续放大器；由于 FDC6301N 导通电阻高达几欧姆（远高于功率 MOSFET），它更适合作为“低电流驱动”和“模拟信号开关”的角色，而不是直接驱动重负载；探头中的作用接近一个“精密开关 + 模拟放大预驱”。

后端光电接收 + 放大输出

光信号通过 IF-D91 接收器还原为电流/电压信号；

使用两级放大器：

第一级 OPA847：低功耗运放做初级缓冲；

第二级 LT1819：高速放大器输出到示波器；

这个就不写了

调整电位器：R23：DC Offset 零点微调；R26：增益调节；

输出端采用 BNC 接口连接示波器（J1）。

属性	内容
型号	LT1818（单运放） / LT1819（双运放）
类型	高速电压反馈型运放
封装	TSOT-23, SO-8（LT1818）MSOP-8, SO-8（LT1819）
架构	电压反馈放大器（VFA），具有电流反馈的响应特性

看看参数

参数	典型值	说明
带宽 GBWP	400 MHz	高增益带宽乘积，适合高频放大
压摆率 Slew Rate	2500 V/μs	快速信号跟踪能力极强
输入噪声密度	6 nV/√Hz	噪声水平低，适合模拟信号
失真 HD2 / HD3	-85 / -89 dBc（5 MHz）	失真极低，适合高保真信号链
单位增益稳定	是	可直接配置为缓冲器或高增益模式
输出摆幅	±3.8 V @ ±5V 电源、RL=500Ω
供电电流	9 mA/放大器	中等功耗，适合独立模块应用
输出驱动能力	最小 ±40 mA（±3V 输出）
输入偏置电流	±8 μA（最大）
输入失调电压	≤1.5 mV（典型）

自制光隔离探头原理图中：

[IF-D91 光电二极管] → [MCP6042 缓冲] → [LT1819 高速放大] → BNC 输出

LT1819 的作用：

提供第二级高速放大与带宽补偿，用于恢复从光纤链路接收到的模拟信号，使之适合示波器显示或后端处理。

弥补前级 OPA847 带宽不足（GBWP 14kHz）；具备大输出摆幅与电流驱动能力（适配 BNC 接口终端）；能在几十 MHz 带宽下保留较低失真，避免信号削顶或“包络走样”。

除了上面的参数，还有一些独特的性能：

特性	实测说明
上升时间	0.6 ns（典型）
稳定输出范围	±3.8V @ RL = 500Ω，±3.5V @ RL = 100Ω
单位增益稳定性	支持负载电容高达 20 pF
1% Settling Time	9 ns，快速稳定
差分增益/相位误差	0.07% / 0.02°（用于视频或 ADC 驱动）
失真图	–85 dBc（HD2）/ –89 dBc（HD3）@ 5 MHz, AV = 2