高压放大器和无处不在的 50 欧姆：注意事项和好处

高压放大器和无处不在的 50 欧姆：注意事项和好处

等等，我的输出信号突然加倍了/减半了！？

每个使用电子测量仪器的科学家有时会发现这种情况，电子信号的幅度突然加倍或减小一半。原因是几乎所有用于高频（比如 1MHz 及以上）的电子设备都配备了 50 欧姆的输入或输出电阻。正确的 50 欧姆接口可防止由有限光速引起的反射和信号失真，以及电子信号穿过一段电缆所需的相应有限时间。

但是，有了这个好处，有时就会产生混乱。所有这些 50 Ohm 电阻器都设置在两个分压器中，粗心的人很容易意外地获得或丢失部分信号幅度。典型情况如图 1 所示。函数/任意波形发生器具有内部 50 欧姆输出电阻，连接到 BNC输出连接器。连接到此输出的是负载，例如是另一件电子设备、单独的电路或换能器。发生器输出端的 50 欧姆电阻将与负载形成分压器。发生器设置为连接到其内部 50 欧姆电阻的输出电压是 Vgen。如果负载的阻抗非常高，则其两端的电压也会为 Vgen。如果负载的电阻是 50 欧姆，就像放大器内部的电阻一样，它将是 Vgen/2。对于近乎短路的情况，它当然会更低。

                   图 1. 连接 50 Ohm 设备形成分压器

如果负载的特性已知，则可以使用来自内部放大器电压 Vgen 的分压器方程计算其两端的电压 Vload：

V_load = R_load/(R_gen + R_load ) * V_gen (Eq. 1)

这种输出/输入负载非常重要，在每种测量情况下都应注意。幸运的是，效果很简单，如公式 1 所示。需要注意的是 Vgen。一些制造商在函数发生器的显示屏上显示内部产生的电压 Vgen。如果使用高阻抗负载（例如开路连接，使用电压表或高阻抗示波器探头），这是您将在输出端测量的电压。。在这种情况下，显示屏显示 50 欧姆负载上的电压，内部电压 Vgen 是显示屏上显示的两倍。如果将高阻抗电压表连接到这样的发电机，测得的输出电压是显示屏上显示的两倍！例如，许多较旧的 HP/Agilent 任意波形和脉冲发生器就是这种情况。较新的信号生成设备通常为用户提供将输出设置为“50 Ohm”或“High-Z”负载的可能性，以便用户可以在显示器上指示 Vgen 的这两种模式之间进行选择，从而最大限度地提高错误读数的可能性.请注意，无论选择何种模式，内部 50 欧姆电阻都连接到发生器输出。电阻器也将处于“High-Z”模式；只有显示屏上显示的电压会根据预期负载发生变化。

所有这些意味着连接负载的发电机的实际输出电压可以是 2V_gen、V_gen 或 V_gen/2（甚至是另一个分数），具体取决于所使用的发电机类型和负载阻抗。始终独立检查负载两端的电压非常重要，例如使用电压表或示波器，无论信号发生器显示什么；如果您使用不熟悉的（或其他人的）设备，则尤其如此。电源的输出电阻通常可以忽略不计。此处显示屏上的输出电压对应于负载两端的电压，除非负载消耗的电流太大以至于达到电源的电流限制。

信号传播和反射

经常使用50欧姆电阻的原因如下。当同轴电缆连接到电压源 V 时，电源的输出电压不会立即到达电缆的远端。电源电压沿电缆传输的速度取决于光速，因为传播电压会产生电磁波。电缆中的传播速度略小于自由空间中的光速，乘以因子 sqrt(epsilon_r), epsilon_r 是电缆内绝缘层的介电常数。只要电压还没有到达电缆的远端，电压源就会将功率倾倒到电缆中以提供能量以使电压 V 传播。为了提供这种电力，电流也流入电缆。 I 所需的电流量决定了电缆的“特性阻抗”R。对于同轴电缆，此特性阻抗通常为 50 欧姆（测量设备的标准）或 75 欧姆（电视电缆的标准）的真实电阻。这意味着只要电压源的电压（还没有传输到远端，就会有 I = V/R（欧姆定律）的电流流入电缆。

当然，这个电流不会永远流过，除非电缆无限长。一旦电压到达电缆的末端，会发生什么取决于连接到电缆远端的东西。如果电缆在远端发生短路，电流将流过短路并建立一个相反极性的反射电压，该电压抵消原始波并返回电压源。如果电缆是开路的，反射波将加强已经存在的电压，并将暂时使电缆上的电压加倍。这两种情况都会导致波形失真，当方波沿电缆发送，同时用示波器在近端和远端监测其形状时，很容易看到。方波的边缘越快，方波的频率越高，方波的失真就越大。同样，在这些情况下，正弦波的幅度将取决于它们的频率。

然而，如果有一个 50 欧姆电阻连接到电缆的远端，则这个 50 欧姆电阻看起来就像一根无限长的 50 欧姆电缆一样，并且不会发生反射。信号保持完好，就好像它没有遇到电缆的末端一样；因此电压看起来与源头完全相同。这就是使用 50 Ohm 输出和输入电阻的原因：当使用匹配的 50 Ohm 电缆时，不会出现反射，并且信号完整性可以保持到非常高的频率。电缆唯一能做的就是在信号进入电缆和出现在另一端之间造成时间延迟。

BTC Instrumentation通过一个简单的实验演示了上述电缆理论（图 2）。函数发生器连接到电缆，电缆的远端有一个电位计（可变电阻器）。当电阻从短路变为 50 欧姆到高阻时，很容易看到反射出现、消失，然后根据电位器设置的电阻值再次出现。

                                            图 2. 电缆反射演示

高压放大器输入阻抗

不同的 Falco Systems 高压放大器具有广泛的输入电阻值。这些不同的输入电阻为具有典型 50 欧姆输出电阻的发生器提供不同的负载条件。 WMA-300 和 WMA-320 型号是高速高压放大器。它们具有 50 欧姆的输入电阻，正如其 >1MHz 的最大工作频率所预期的那样。 WMA-200 和 WMA-280 低噪声高压放大器具有 1kOhm 的输入电阻：这些相对低值的输入电阻具有低噪声。通用 WMA-100 和 WMA-005/-01/-02 高压放大器具有 100kOhm 的输入电阻，对发生器的负载可以忽略不计。发生器显示屏上设置的电压中实际存在于放大器输入端的部分可以用公式 1 计算。正是这个部分将被规定的放大因数放大放大器的！该表显示了放大器输入端可用的发生器信号的比例，假设发生器源电阻为 50 欧姆。

在实际使用之前实际测量高压放大器输入端的信号电压是多么重要，这一点再怎么强调也不为过。图 3 显示了一个简单的测量设置，它将产生输入和输出电压，是检查高压放大器放大系数的首选方法。

图 3. 通过同时显示放大器的输入和输出电压来测量高压放大器增益的设置

具有 50 欧姆输出电阻的高压放大器

高压放大器本身通常也有输出电阻。这个电阻主要是为了防止放大器在 容性负载下过冲。这些放大器使用负反馈来优化速度、噪声和放大精度，但只有在放大器的输出信号与输入信号相比在时间上没有延迟太多时才能很好地工作。放大器输出的容性负载会导致这样的时间延迟。电容器需要通过流入它的电流来充电以改变其两端的电压，这需要时间。随着这个时间随着电容的增加而变长，放大器的负反馈回路跟不上，就会出现过冲。放大器中的输出电阻器将放大器的输出与负载“去耦”，并防止发生这些过冲。从具有 50 欧姆输出电阻的 WMA-200 高压放大器和没有此电阻且输出电阻接近 0 欧姆的 WMA-280 的行为中可以看出差异。电容负载对两个放大器的影响如图 4 所示。

                                    WMA-280 不带输出电阻

                                  WMA-200 带 50 欧姆输出电阻

图 4. 10nF 电容负载导致的高压放大器过冲：内部输出电阻的影响

同样，输出电阻将与负载形成分压器，但由于高压放大器的负载通常具有高阻抗，因此该影响通常可以忽略不计。高压放大器的输出电阻可以是 50 欧姆，因为这是一个通常工作良好的值，但它不必是 50 欧姆。

电阻器不是用来设置 50 欧姆输出，以完全防止电缆反射，如上所述。这可以从下面看出。如果将具有 50 Ohm 输出电阻和 275mA 输出电流的 WMA-200 高压放大器用于连接到输出的 50 Ohm 负载的 50 Ohm 系统中，则最大输出电压将受最大电流限制为 V = I * R = 0.275A * 50 欧姆 = 13.75V。这没有用，因为高压放大器专门设计用于提供高达 175V 的输出电压。此外，50 欧姆负载中的耗散功率和高电压也会过大。因此建议使用更高的负载阻抗。对于 WMA-300 等高速高压放大器，缺少适当的 50 欧姆端接意味着电缆反射可能而且确实会发生。连接到输出的电缆应尽可能短。这将缩短电缆中的传播时间，并将这些反射推到非常高的频率。对高压放大器使用 50 欧姆的输出电阻对电缆反射有部分好处，即使负载不是 50 欧姆。如果同轴电缆为 50 欧姆，放大器的输出电阻为 50 欧姆，电压将沿电缆传输到负载，被部分反射，然后返回放大器，并会满足放大器的 50 欧姆电阻再次。反射将在那里看到一个匹配的 50 欧姆，并且不会在负载和放大器之间多次重新反射回来，这将导致信号形状的进一步恶化。这意味着在信号单程到达负载并返回后，放大器会消除反射，之后不会进一步降低信号质量。当然，使用短电缆仍然很重要，因为确实会发生单次反射。

结论

具有 50 欧姆输入和输出电阻的设备与匹配的 50 欧姆电缆一起使用，以提供无反射信号路径，以实现高频下的最高信号完整性。务必始终使用示波器检查此类系统中存在的实际电压幅度。原因是例如函数发生器没有处理由这些电阻产生的 50 Ohm - 50 Ohm 分压器引起的电压降的标准化方法。一些电压源会显示开路电压，一些是 50 欧姆负载中的电压，这应该使用所有不熟悉的设备进行检查。

高压放大器有时也具有 50 欧姆的输出电阻，但该电阻主要用于防止在容性负载条件下由这些放大器中的内部负反馈环路引起的方波信号过冲。此处 50 欧姆的输出电阻的优点是电缆反射在从放大器到负载和返回的单程中衰减。但不应将其误解为标准 50 欧姆输出，因为最大输出电流不足以将 50 欧姆负载驱动至高电压。建议使用更高阻抗的负载，并且在与高频信号一起使用时，建议使用短电缆从放大器到负载。