數(shù)字熒光示波器1GHz前置放大器的設(shè)計(jì)

　　引言

　　近年來(lái)， 國(guó)外數(shù)字示波器飛速發(fā)展， 中高端數(shù)字示波器市場(chǎng)基本被美國(guó)泰克、安捷倫、力科公司占有， 美國(guó)泰克公司在21 世紀(jì)初首先推出數(shù)字熒光示波器， 將數(shù)字示波器發(fā)展推向1 個(gè)新的平臺(tái)。前置放大器芯片采用了砷化鎵快膜封裝的高新技術(shù)， 使產(chǎn)品的模擬帶寬、采樣率、底噪聲， 觸發(fā)抖動(dòng)、波形刷新率都獲得了新的突破。通道帶寬特性是示波器的第1 指標(biāo)， 對(duì)寬帶示波器來(lái)說(shuō)， 通道帶寬的設(shè)計(jì)是非常重要的工作， 它是高速數(shù)據(jù)采集電路的基礎(chǔ)， 也是示波器檔次劃分的重要依據(jù)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1. 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　整個(gè)前置放大器由4 個(gè)部分組成。高阻程控衰減器、阻抗變換器、低阻步進(jìn)程控衰減器、高速差分放大器。前置放大器的原理框圖如圖1 所示。

　　圖1 前置放大器

　　輸入信號(hào)首先經(jīng)過(guò)50Ω 、1 MΩ 的選擇， 當(dāng)選擇50時(shí)， 信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻繼電器， 直接進(jìn)入到低阻程控衰減器， 當(dāng)選擇1 MΩ時(shí)， 信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗變換電路， 由高阻輸入轉(zhuǎn)換為低阻輸出， 再經(jīng)過(guò)射頻雙向選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)入低阻程控衰減器， 完成增益調(diào)節(jié)。通過(guò)高速運(yùn)算放大器完成單端信號(hào)變差分和電平轉(zhuǎn)換的任務(wù)。為后續(xù)的ADC 電路提供驅(qū)動(dòng)， 并為觸發(fā)電路輸送高速的觸發(fā)信號(hào)。以5 mV/ div 為基準(zhǔn)檔， ADC芯片輸入滿度信號(hào)為500 mVp-p, 則要求通道的總增益為22 dB, 由于前置放大器插入許多示波器功能， 需兩級(jí)20 dB增益高速差分放大器組成。當(dāng)?shù)妥?0Ω 輸入信號(hào)產(chǎn)生過(guò)壓時(shí)， 過(guò)壓檢測(cè)裝置輸出將射頻繼電器轉(zhuǎn)換為1 MΩ輸入， 從而保護(hù)了后面的有源器件， 不過(guò)壓就跳回低阻50 Ω輸入。

　　1. 2 阻抗變換電路的設(shè)計(jì)

　　阻抗變換電路如圖2 所示。

　　圖2 阻抗變換電路

　　當(dāng)示波器設(shè)置為高阻1 M 時(shí)， 輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)高阻衰減器分為兩路： 一路是高頻信號(hào)， 經(jīng)過(guò)電容C1 直接耦合到FET 高阻輸入放大器IC2; 另一路低頻信號(hào)成分經(jīng)過(guò)R1、R2 組成的電阻分壓器加到運(yùn)算放大器的同向輸入端，IC1 輸出的低頻信號(hào)經(jīng)過(guò)的R4, 在IC2 的輸入端與高頻信號(hào)成分合成， 合成后的信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗變換為低阻50Ω 輸出， 反饋電容C3 的加入， 使合成的信號(hào)具有平坦的頻率特性， R5 為阻抗變換器提供直流負(fù)反饋通路， 保證了整個(gè)電路具有良好的直流特性和溫度漂移的穩(wěn)定性， 在阻抗變換電路中， PCB 的布局布線對(duì)高頻電路的性能影響很大， 特別是高阻輸入端口的器件必須引線盡量短， 以使分布參數(shù)最小， 高阻器件的下面的大面積地層或電源布線層必須要挖空， 以減小分布電容。

　　1. 3 高阻衰減器設(shè)計(jì)

　　高阻衰減器采用分壓式結(jié)構(gòu)， 如圖3 所示。

　　圖3 高阻衰減器

　　K1 繼電器導(dǎo)通時(shí)， 信號(hào)不經(jīng)過(guò)衰減， 直通下一級(jí)電路，由于是高阻抗輸入， 所以對(duì)繼電器開(kāi)關(guān)要求很高， 繼電器各端口的分布電容要盡量小， 分壓器所用的元器件體積要盡量小， 但所承受的功率又要滿足測(cè)量的要求。高阻衰減器要在500 M 帶寬內(nèi)獲得平坦的頻率特性也有很大的難度，分壓器的各個(gè)元器件之間包括每個(gè)元器件的分布參數(shù)在內(nèi)， 他們的取值關(guān)系應(yīng)符合下式： R1/ (R1+ R2 ) = C1 / (C1 +C2 ) , C2 為可調(diào)補(bǔ)償電容， 用于補(bǔ)償元件參數(shù)和PCB 板工藝參數(shù)非一致性產(chǎn)生的分布電容偏差， R3 是用于抑制引線電感引起的阻尼和過(guò)沖。

1. 4 低阻衰減器設(shè)計(jì)

　　低阻衰減器是采用兩級(jí)50 的特性阻抗、6 位程控精密電阻衰減陣列， 該芯片的頻帶響應(yīng)為DC~ 4 GHz。6 個(gè)控制位分別控制0. 5 dB、1 dB、2 dB、4 dB、8 dB、16 dB, 最小步進(jìn)為0. 5 dB。最大衰減量程為31. 5 dB, 為了保證最大程度滿足系統(tǒng)線性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)。采用了兩級(jí)相同的芯片，總的衰減量程達(dá)到63 dB, 保證低阻2 mV ~ 1 V / div, 高阻2 mV ~ 5 V/ div 衰減量程。

　　1. 5 高速差分放大器的設(shè)計(jì)

　　高速差分放大器的任務(wù)是將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信號(hào)， 以驅(qū)動(dòng)ADC 電路和引出的內(nèi)觸發(fā)信號(hào)， 故放大器的輸出應(yīng)有極低的高頻輸出阻抗以適應(yīng)長(zhǎng)線傳輸?shù)碾娙莺碗姼胸?fù)載。

　　為減小容性和感性負(fù)載， 在工藝上采用50 適配插頭座和50微波電纜傳輸， PCB 傳輸引線采用 微帶!布板工藝， 該級(jí)電路采用2 級(jí)高速差分運(yùn)算放大器組成， 每級(jí)帶寬響應(yīng)為2. 5 GHz。每級(jí)放大器的增益為20 dB , 以適應(yīng)ADC~500 mVp??p 滿度數(shù)字化轉(zhuǎn)換的電平要求， 兩級(jí)運(yùn)放之間插入帶寬抑制低通濾波控制器， 抑制帶寬約為30 MHz、100 MHz, 帶寬限制功能以抑制測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)高頻噪聲干擾。該級(jí)電路還承擔(dān)了信號(hào)位移偏移調(diào)節(jié)和直流電平自動(dòng)調(diào)零任務(wù)。

　　1. 6 高速電路板的設(shè)計(jì)

　　由于前置放大器整個(gè)系統(tǒng)都處于高速傳輸狀態(tài)， 所以在調(diào)試的過(guò)程中， 不可避免的會(huì)遇到傳輸阻抗匹配問(wèn)題， 經(jīng)驗(yàn)證PCB 布板對(duì)信號(hào)的傳輸影響很大， 容易引起信號(hào)完整性問(wèn)題。主要原因是信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間減少， 以及它與電路板上雜散電容雜散電感之間的相互作用， 導(dǎo)致信號(hào)完整性的基本原因就是缺少對(duì)信號(hào)回流的控制， 于是對(duì)PCB 布板采用以下原則， 板層的各信號(hào)層之間要有地隔離層， 不同電平信號(hào)走線要隔離， 對(duì)時(shí)鐘信號(hào)要充分隔離和濾波， 高速信號(hào)線要控制4 mm 之內(nèi)， 并保證差分信號(hào)線的等長(zhǎng)和匹配， 同時(shí)要盡量減少過(guò)孔， 對(duì)于1 GHz 以上的信號(hào)要嚴(yán)格按照“微帶線”布板， 以保證信號(hào)延遲精確度和阻抗匹配。電源的布線要充分考慮電源電流的回流過(guò)程。

　　2 系統(tǒng)測(cè)試及測(cè)試結(jié)果分析

　　2. 1 測(cè)試儀器設(shè)備

　　測(cè)試儀器設(shè)備如表1 所示。

　　表1 測(cè)試儀器設(shè)備

　　2. 2 測(cè)試方法

　　將LDP60104 示波器垂直量程置于5 mV/ div( 基準(zhǔn)檔) , 將9500B 示波器校正儀正弦信號(hào)送到示波器輸入端口， 通過(guò)示波器屏幕觀察信號(hào)顯示的幅度， 分別讀取示波器低阻和高阻時(shí)垂直系統(tǒng)的頻率特性。低阻時(shí)該系統(tǒng)的頻率特性在600~ 700 MHz 時(shí)上沖為15% , 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件校正， 根據(jù)高斯信號(hào)理想幅頻特性， 采用濾波器對(duì)通道幅頻特性進(jìn)行校正， 將通道輸出補(bǔ)償成接近于高斯信號(hào)的通道特征， 使通道的幅頻特性得到較大的改善。系統(tǒng)在高阻1 MΩ時(shí)頻響為560 MHz ( - 3 dB) 。低阻50 Ω時(shí)頻響為1. 2 GHz( - 3 dB) 。低阻通道頻響測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。

　　表2 通道頻率響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)

　　3 結(jié)論

　　本系統(tǒng)已成功用4 個(gè)通道， 1 GH z 帶寬LDP60104 數(shù)字熒光示波器， 現(xiàn)已通過(guò)國(guó)家儀器檢測(cè)中心的測(cè)試， 主要技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。