FETプローブの製作


クリスタルフィルターや同調回路の確認用として以前から欲しいと思っていたFETプローブを製作してみました。

2014.10.19
　 はじめに
　当局の工作ベンチのRFレベル測定用のツールとして、高周波電圧計ML69A、スペアナ(TR4122)、シンクロ(BW100MHz)がありますが、ハイインピーダンス受けで周波数 特性を測定するには、ML69Aでプロットしながら測定するか、スペアナにシンクロの10:1プローブを組み合わせて測定していましたが、能率が悪かったりレベルが小さかったり で、うまくありません。
　今回スペアナと組み合わせて使用するFETプローブを製作してみました、自作クリスタルフィルターの調整や50Ω以外のインピーダンスのBPFなどの調整に重宝します。

　 目標仕様
　小物ツールの場合、つい目標仕様を高めに設定しがちですが、手軽に製作できてかつ実用的な物を目指すように、以下の仕様で製作を進めます。

  • 周波数特性　1MHz〜100MHz 当局の自作環境では100MHz以上は50Ω入出力で設計することが多くとりあえず100MHzを目標としました。
  • 入力インピーダンス　1MΩ//5pF以下　高インピーダンスも重要ですが、出来るだけ入力容量が小さいことも重要です。
  • 出力インピーダンス　50Ω　出力ケーブル1.5D-2V BNCコネクタとする。
  • ゲイン　0db　FETバッファのみでもいいのですが、ゲイン0dbとすることでシンクロとの組み合わせで使用する場合もレベルが直読出来て便利です。
  • 電源電圧　15V/15mA

    　 構造、組み立て
    　　
    　組み立ては写真のようにしました。細長い基板をアルミパイプに挿入する構造にしました。基板はパイプにきっちり収まるサイズとし先端部に銅板でアングルを半田付、そのアングルにナット も半田付けしてパイプと固定するようにしました。
    　パイプの反対側は厚手のゴム板で蓋をするようにしました。
    　

    構造、プローブ先端加工
    　　
    　　プローブ先端の加工は写真のような小型同軸コネクタを使用し、GNDのスプリングはシンクロプローブ付属のGNDスプリングがぴったりです。
    　　叉、GNDをクリップで使用する場合は、同軸コネクタのジャック側に硬めのワイヤーを半田付けして、プローブ先端としました。
    　 　

    特性確認1
    　SG出力を50Ω終端時の電圧と開放電圧をML69Aと自作FETプローブで測定比較してみました。
    測定条件　SG出力99dbuV(EMF)設定
    測定値/周波数 1.0MHz 10MHz 30MHz 50MHz 80MHz 100MHz
    ML69A 50Ω終端時 -13.9dbm -13.5dbm -13.6dbm -13.5dbm -13.7dbm -14.1dbm
    ML69A HiZ測定時 76mV 76mV 76mV 78mV 80mV 77mV
    自作FET+ML69A 50Ω測定時 72mV 80mV 74mV 79mV 76mV 76mV
    　SG出力99dbuV(EMF)は-14.0dbm相当になるのでML69A 50Ω終端ではまずまずの精度で測定出来ているようです。叉、開放電圧は89mVの筈ですが、ML69Aおよび自作FETプローブ共に やや低めの測定値となっています、ただML69Aと近い値になっていますのでまずは実用レベルでしょうか。

    特性確認2　
    　　
    　写真左はスペアナのトラッキングSG出力を50Ω受けで測定した波形、センター50MHz 横軸10MHz/div 縦軸10db/div。昔のスペアナなのでCAL機能がなく特性は少しうねっています。
    　写真右はトラッキングSG出力を自作FETプローブのHiZ受けで測定した波形、開放電圧を測定しているのでレベルは6dbアップになっています。低域でややゲインが大きいようですが、実用 レベルかなという感じです。
    入力容量の確認　
    　入力容量は約3.5pFになりました。一般的な10:1シンクロプローブの入力容量は15pF程度なのでまずまず低容量化できましたが、同調回路に直接プローブを当てて測定する場合などはこの容量が 加わるのでちょっと注意する必要があります。

    使用感
    　クリスタルフィルターの製作やBPFなど50Ω系以外のフィルターの調整にとても重宝しています。特にFETのゲートに接続する同調回路のF特や真空管のグリッドに接続する フィルターなどはHiZのため、VTVMでの確認でプロットしていましたが、FETプローブとスペアナの組み合わせで簡単に周波数特性が確認できるようになりました。

    　 回路
    　回路図を以下に示します。FETバッファとWide Band AMPの組み合わせで構成しています。FET Buff部はCYTEC HPを参考に、Wide Band AMPは「トロ活」を参考にしています。
    FETはオリジナルでは2SK125ですが、2SK520を使いました。プローブの入力容量はC1とCiss/Crssで決定されますのでできるだけ小さなものを選択します。
    　トランジスタは出来るだけ Ftの高い物を選びます。今回はFt=6.5GのチップTRを使いました。その他のコンデンサもチップを使い小型化しました。

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