Активный пробник (active probe) — это незаменимый инструмент для работы с высокочастотными сигналами на осциллографе. В отличие от пассивных зондов, он имеет высокое входное сопротивление и низкую входную емкость, что позволяет измерять сигналы в чувствительных высокоомных узлах (входы усилителей, выходы генераторов, линии передачи данных) без существенного воздействия на работу схемы.

Покупной профессиональный активный пробник (например, от Keysight, Tektronix, Rohde & Schwarz) стоит десятки и сотни тысяч рублей. К счастью, для домашней лаборатории и многих профессиональных задач можно собрать отличный пробник самостоятельно за небольшие деньги.

Принцип работы и ключевые параметры

Основа активного пробника — это каскад с высоким входным сопротивлением и единичным коэффициентом усиления (буфер). Обычно используется схема источника следов (Source Follower) на полевом транзисторе (JFET или MOSFET) или специализированной микросхеме (буфер).

Основные преимущества перед пассивным зондом 10:1:

• Входная емкость: 0.5–2 пФ (против 10–15 пФ у пассивного). Это критично для частот > 100 МГц.
• Входное сопротивление: 1–10 МОм на постоянном токе, но на ВЧ оно определяется емкостью, а не резистором.
• Коэффициент передачи: 1:1 (или 2:1 с делителем на входе). Не снижает уровень сигнала, не ухудшает соотношение сигнал/шум осциллографа.
• Полоса пропускания: Легко достигает 500 МГц – 1.5 ГГц при правильной сборке.

Недостатки (компромиссы DIY):

• Ограниченный диапазон входного напряжения (обычно ±3…±12 В в зависимости от питания).
• Чувствительность к статическому электричеству (ESD) — нужен защищающий диод/Газоразрядник.
• Требует источника питания (батарейки или блок питания).
• Дрейф нуля по температуре (у дискретных схем на JFET).

Выбор базового элемента: Транзистор vs Микросхема

Есть два основных пути сборки:

Вариант А: На полевом транзисторе (JFET) — Классика DIY

Популярные транзисторы: 2SK170 (BL/GR/V/idss группы), J310, BF862, MPF102, 2N5457.

• Плюсы: Очень дешево, легко купить, минимальное количество деталей, отличные шумовые характеристики (у 2SK170/BF862).
• Минусы: Требует подбора/настройки тока покоя (Idss разбросан), сильный дрейф нуля по температуре, низкое входное напряжение пробоя затвора-истока (±25В для Si, но ГЗ пробивается при ~6-10В).

Вариант Б: На специализированном буфере (IC) — Современный профи-подход

Популярные микросхемы: AD8009, ADA4817, THS3201, OPA657, LMH6559, BUF634.

• Плюсы: Стабильные параметры, нет дрейфа нуля, встроенная защита ESD (часто), работа от низких напряжений (±2.5В…±5В), полоса до 1-2 ГГц.
• Минусы: Дороже, сложнее паять (корпуса SOT-23, SOIC, MSOP), выше собственное шумовое напряжение (у некоторых), выше потребление тока.

Схема на JFET (2SK170 / J310) — Подробный разбор

Рассмотрим проверенную временем схему с каскадом «Source Follower» + токовый источник на биполярном транзисторе для стабилизации режима.

Составляющие схемы:

1. Входной делитель/Защита: Резистор 100 Ом (подавление паразитной генерации) + Параллельно два диода Шоттки (BAT54S или 1N5711) к шинам питания для защиты ГЗ.
2. Входной JFET (VT1): Работает в режиме источника следов. Входное сопротивление ~ входа ГЗ (Очень высокое).
3. Нагрузка — Токовый источник (VT2): Биполярный транзистор (BC847, 2N3904, KT3102) с базой, зафиксированной на двух диодах/стабилитроне. Дает высокое динамическое сопротивление нагрузки -> линейность и коэф. передачи ~0.98-0.99.
4. Выходной эмиттерный повторитель (VT3): Низкоомный выход (50 Ом) для согласования с кабелем RG-174/316 и входом осциллографа (1 МОм || 50 Ом).
5. Смещение (Offset Null): Подстроечный резистор для вывода нуля на выходе при закоротченном входе.

Принципиальная схема (текстовое описание):

ВХОД ---[100R]---+---|>|--- (К анодам диодов защиты)
 | |<|--- (К катодам диодов защиты)
 | |
 Gate Source (VT1 ─ JFET 2SK170)
 | | GND +---[Rs 100-220R]---+--- ВЫХОД (к BNC)
 | |
 Drain (VT1) |
 | |
 +--- Collector (VT2 ⏤ BC847, Current Source)
 | |
 Base (VT2) --[Diodes/Ref]-- GND
 | Emitter (VT2) --[Re]-- GND

Ключевые нюансы расчета:

• Ток потребления (Id): Оптимально 4–8 мА на JFET. При 2SK170 GR (Idss 2.6-6.5 мА) токовый источник ставим на ~4-5 мА. При J310 (Idss 24-60 мА), нужно ограничивать резистором в истоке JFET или выбирать ток источника ~10 мА.
• Резистор в истоке JFET (Rs): 100–220 Ом. Улучшает линейность, снижает коэф. передачи до ~0.95, но стабилизирует режим.
• Выходной транзистор (VT3): Ток коллектора 15–25 мА для низкого выходного сопротивления (~10-20 Ом). Резистор в эмиттере VT3 — 47–68 Ом (для термостабилизации и согласования).
• Питание: Двухполярное ±5В (две батарейки Крона 9В через стабилизаторы 78L05/79L05 или DC-DC) или однополярное +5В/ +9В с виртуальной землей (делитель + опорный источник). Двухполярное питание предпочтительнее — нет дрейфа нуля при разряде батареек, работает с сигналами, идущими ниже земли.

Конструкция и печатная плата — Ключ к ВЧ

Самое главное в активном пробнике — это физическая реализация. На частотах 500 МГц длина вывода 5 мм — это уже индуктивность ~5 нГн, дающая реактивное сопротивление ~15 Ом. Это убивает полосу пропускания и вызывает резонансы.

Правила трассировки (Must Have):

• Корпус: Металлический (экран). Идеально — разобранный корпус от старого пассивного зонда (Tektronix, Hameg, Owon) или фоторезист/латунная труба + BNC-разъем.
• Плата: Только двухслойная с непропаянной медийной площадкой (GND) на нижнем слое. Толщина 1.0 или 1.6 мм.
• Входной проводник: От BNC разъема (или штекера зонда) к Gate JFET — максимально короткий, прямой, без виа (переходов слоев). Желательно сделать его широким (1-2 мм) для низкой индуктивности.
• Питание: Конденсаторы развязки 100 нФ (0603) + 10 мкФ (тантал/керамика 0805/1206) как можно ближе к выводам питания микросхем/транзисторов. По одному на каждую шину (+V, -V, GND).
• Выходной кабель: Используйте качественный 50-омный коаксиал (RG-316, RG-174, лучше RG-405 полужесткий). Длина 0.5–1 м. Пайте экран кабеля к корпусу BNC и GND платы максимально широко.

Пример компоновки (Top View):

[BNC ВХОД] --(короткий след)--> [Защита: 2x BAT54S] --> [Gate VT1 (JFET)]
 |
 [Source VT1] --[Rs]--> [Base VT3 (Out Buffer)]
 | |
 [Drain VT1] <--[VT2 CurSrc] [Emitter VT3] --[47R]--> [BNC ВЫХОД / Кабель]

 | |
 GND ----------------------- GND (Плоскость)

Защита входа (ESD & Overvoltage) — Обязательно!

Ворота полевого транзистора (или вход микросхемы) пробиваются при ~6-10 В (ГЗ) или выше (защита IC). Статика с рук — это киловольты. Без защиты пробник сгорит при первом касании.

Схема защиты (ставится сразу за входным резистором 100-470 Ом):

• Два диода Шоттки (BAT54S, BAS40, 1N5711): Анод одного к входу, катод к +Vпит. Катод второго к входу, анод к -Vпит (или GND при однополярке). Ограничивают вход до ~0.3-0.4 В за пределами питания. Низкая емкость (~1 пФ).
• Газоразрядник / TVS диод (опционально): Для защиты от высоковольтных импульсов (ESD по IEC 61000-4-2). Например, SMF05C или двухполярный TVS.
• Входной резистор (Rin 100–470 Ом): Ограничивает ток через диоды защиты при пробое. Также демпфирует резонанс входной емкости и индуктивности щупа.

Питание: Батарейки vs Сетевой блок

Лучший компромисс для DIY: Две батарейки «Крона» (9В) -> Стабилизаторы 78L05 (TO-92) и 79L05 (TO-92) -> ±5В. Просто, надежно, безопасно. Поставьте переключатель питания и светодиод индикации (через 10кОм на +5В).

Настройка и калибровка

1. Проверка питания: Измерьте ±5В на плате относительно GND. Проверьте ток потребления (обычно 15-30 мА суммарно).
2. Установка нуля (Offset Null):
   • Замкните вход пробника на корпус (GND).
   • Подключите выход к осциллографу (DC coupling, 50 Ом или 1 МОм).
   • Подстроечным резистором (обычно в базе токового источника или делителе на входе VT3) добивайтесь 0.00 В на экране.
3. Проверка коэффициента передачи (Gain):
   • Подайте на вход известное напряжение (например, от калибратора осциллографа 1 Вольт пик-пик, 1 кГц).
   • Измерьте амплитуду на выходе. Коэф. передачи должен быть 0.95 – 1.00.
   • Если нужно точно 1.00 — введите поправочный коэффициент в настройках осциллографа (Probe Gain = 1/MeasuredGain).
4. Проверка полосы пропускания (Bandwidth):
   • Используйте генератор с плоским АЧХ (леveled sine wave) или быстрый фронт (Step Response).
   • На частоте -3dB амплитуда должна упасть до 0.707 от амплитуды на 1 МГц/1 кГц.
   • По фронту: Tr (10-90%) ≈ 0.35 / BW. Для 500 МГц фронт должен быть ~700 пс.
5. Входная емкость (опционально): Измеряется по резонансу с известной катушкой или через VNA (Vector Network Analyzer) / NanoVNA через развязывающий конденсатор; Цель: < 2 пФ.

Типичные ошибки новичков (Troubleshooting)

• Генерация/Ринг на фронтах: Длинные выводы, отсутствие резистора 100-220 Ом в истоке JFET, плохая развязка питания. Лечение: Сократить выводы, добавить ферритовый бус на питание, поставить резистор в исток/коллектор.
• Большой дрейф нуля: Нагрев JFET руками/температура. Лечение: Радиатор на JFET (корпус SOT-23 к меди платы), термокомпенсация (диод в базе токового источника), переход на IC буфер.
• Низкая полоса (< 100 МГц): Длинный входной проводник, емкость защиты большая, кабель выхода не 50 Ом или плохой контакт BNC. Лечение: Перепроверить топологию платы, использовать полужесткий кабель RG405.
• Сгорел вход: Забыли диоды защиты / коснулись руками входа без заземления. Лечение: Всегда паяйте защиту ПЕРВОЙ. Носите антистатический браслет.
• Петля заземления (Ground Loop): Гудение 50/100 Гц при питании от сети. Лечение: Только батарейки или изолированный DC-DC преобразователь. Не соединяйте GND пробника с землей осциллографа через отдельный провод, это и есть петля.

Готовые Open Hardware проекты (для повторения)

Не обязательно проектировать плату с нуля. Есть проверенные проекты с открытыми файлами (Gerber, BOM, Schema):

1. JFET Probe by EEVBlog / Chris Gammell (Contextual Electronics): Классика на 2SK170/2SK369. Простая двухслойная плата, помещается в корпус от пассивного зонда.
2. AD8009 / THS3201 Probe (GitHub: «Active Probe» / «High Bandwidth Probe»): Много вариантов на OSH Park / GitHub. Ищите по запросу "AD8009 probe kicad" или "THS3201 probe". Часто делают под корпус SMA/BNC.
3. OPA657 / LMH6559: Для очень высокого входного сопротивления (Фет-вход) и низких шумов.
4. Проекты с NanoVNA / TinySA: Часто делают активные пробники для расширения функционала анализаторов спектра.

---

Чек-лист сборки (Bill of Materials ⏤ пример для JFET версии)

Обозначение	Номинал / Тип	Корпус	Примечание
VT1	2SK170 (GR/BL) или J310 / BF862	SOT-23 / TO-92 (SOT-23 лучше)	Ключевой элемент. Купите 5-10 шт для подбора Idss.
VT2	BC847 / 2N3904 / MMBT3904	SOT-23	Токовый источник. hFE > 100.
VT3	BFR92A / BFQ19 / 2SC3356 / MMBTH10	SOT-23	Выходной буфер. fT > 5 ГГц. Можно тот же BC847, но полоса ниже.
D1, D2	BAT54S (Dual Schottky)	SOT-23	Защита входа. Общий катод/анод или два отдельных BAT54.
D3, D4	1N4148 / BAV99 (Dual)	SOT-23	Опорное напряжение для базы VT2 (2 диода = ~1.2В).
Rin	100 ─ 470 Ом	0603	Входной резистор (демпфирование/защита).
Rs (Source)	100 ⏤ 220 Ом	0603	В истоке VT1. 1% тол. Желательно тонкопленочный.
Rc (Collector VT2)	1 ─ 2.2 кОм	0603	Настройка тока VT1 (подобрать экспериментально ~4-8мА).
Re (Emitter VT3)	47 ─ 68 Ом	0603	Выходное согласование.
Rnull	10 ⏤ 20 кОм (подстроечный)	SMD Trimmer 3296 / 3386	Коррекция нуля. Ставить в делитель базы VT3 или эмиттер VT2.
Cdec	100 нФ (X7R) + 10 мкФ (Tantalum/X5R)	0603 / 0805	На каждую шину питания (+5В, -5В) близко к чипам.
U1, U2	78L05 / 79L05 (или LP2950 / LP2951)	TO-92 / SOT-89	Стабилизаторы ±5В от батареек 9В.
BAT	2x Крона 9В (6LR61)	—	В держателе с выключателем.
PCB	FR4, 2 слоя, 1.0 мм, ENIG	—	ENIG (золочение) критично для контактов BNC и надежности.
Case	Металл (BNC body / Brass tube)	—	Обязательно экранированный.
Cable	RG-316 / RG-405 (Semi-rigid)	—	50 Ом. Длина 0.5-1м. BNC male на конце.

---

Сборка активного ВЧ-пробника — это отличный проект для углубленного понимания высокочастотной схемотехники, согласования, питания и компоновки. Даже простая схема на двух-трех транзисторах, собранная на качественной плате в металлическом корпусе с батарейным питанием, превосходит любой пассивный зонд 10:1 по входной емкости и удобству работы с высокоомными узлами на частотах до 300-500 МГц.

Главные секреты успеха:

1. Короткие выводы и SMD-компоненты.
2. Металлический корпус и хорошее заземление экрана кабеля.
3. Двухполярное батарейное питание.
4. Надежная защита входа диодами Шоттки.

Начните с версии на 2SK170 (SOT-23). Закажите плату в JLCPCB/PCBWay (стоит копейки за 5 шт), соберите, настройте нуль — и вы получите профессиональный инструмент за долю стоимости заводского; Удачи в пайке и измерениях!

---

Статья подготовлена для образовательных целей. При работе с высоковольтными схемами всегда соблюдайте меры безопасности. Автор не несет ответственности за повреждение оборудования при повторении описанных схем.