数字荧光示波器1GHz前置放大器的设计

　　引言

　　近年来， 国外数字示波器飞速发展， 中高端数字示波器市场基本被美国泰克、安捷伦、力科公司占有， 美国泰克公司在21 世纪初首先推出数字荧光示波器， 将数字示波器发展推向1 个新的平台。前置放大器芯片采用了砷化镓快膜封装的高新技术， 使产品的模拟带宽、采样率、底噪声， 触发抖动、波形刷新率都获得了新的突破。通道带宽特性是示波器的第1 指标， 对宽带示波器来说， 通道带宽的设计是非常重要的工作， 它是高速数据采集电路的基础， 也是示波器档次划分的重要依据。

　　1 系统设计

　　1. 1 系统总体设计方案

　　整个前置放大器由4 个部分组成。高阻程控衰减器、阻抗变换器、低阻步进程控衰减器、高速差分放大器。前置放大器的原理框图如图1 所示。

　　图1 前置放大器

　　输入信号首先经过50Ω 、1 MΩ 的选择， 当选择50时， 信号经过射频继电器， 直接进入到低阻程控衰减器， 当选择1 MΩ时， 信号经过阻抗变换电路， 由高阻输入转换为低阻输出， 再经过射频双向选择开关进入低阻程控衰减器， 完成增益调节。通过高速运算放大器完成单端信号变差分和电平转换的任务。为后续的ADC 电路提供驱动， 并为触发电路输送高速的触发信号。以5 mV/ div 为基准档， ADC芯片输入满度信号为500 mVp-p, 则要求通道的总增益为22 dB, 由于前置放大器插入许多示波器功能， 需两级20 dB增益高速差分放大器组成。当低阻50Ω 输入信号产生过压时， 过压检测装置输出将射频继电器转换为1 MΩ输入， 从而保护了后面的有源器件， 不过压就跳回低阻50 Ω输入。

　　1. 2 阻抗变换电路的设计

　　阻抗变换电路如图2 所示。

　　图2 阻抗变换电路

　　当示波器设置为高阻1 M 时， 输入信号经过高阻衰减器分为两路： 一路是高频信号， 经过电容C1 直接耦合到FET 高阻输入放大器IC2; 另一路低频信号成分经过R1、R2 组成的电阻分压器加到运算放大器的同向输入端，IC1 输出的低频信号经过的R4, 在IC2 的输入端与高频信号成分合成， 合成后的信号经过阻抗变换为低阻50Ω 输出， 反馈电容C3 的加入， 使合成的信号具有平坦的频率特性， R5 为阻抗变换器提供直流负反馈通路， 保证了整个电路具有良好的直流特性和温度漂移的稳定性， 在阻抗变换电路中， PCB 的布局布线对高频电路的性能影响很大， 特别是高阻输入端口的器件必须引线尽量短， 以使分布参数最小， 高阻器件的下面的大面积地层或电源布线层必须要挖空， 以减小分布电容。

　　1. 3 高阻衰减器设计

　　高阻衰减器采用分压式结构， 如图3 所示。

　　图3 高阻衰减器

　　K1 继电器导通时， 信号不经过衰减， 直通下一级电路，由于是高阻抗输入， 所以对继电器开关要求很高， 继电器各端口的分布电容要尽量小， 分压器所用的元器件体积要尽量小， 但所承受的功率又要满足测量的要求。高阻衰减器要在500 M 带宽内获得平坦的频率特性也有很大的难度，分压器的各个元器件之间包括每个元器件的分布参数在内， 他们的取值关系应符合下式： R1/ (R1+ R2 ) = C1 / (C1 +C2 ) , C2 为可调补偿电容， 用于补偿元件参数和PCB 板工艺参数非一致性产生的分布电容偏差， R3 是用于抑制引线电感引起的阻尼和过冲。

1. 4 低阻衰减器设计

　　低阻衰减器是采用两级50 的特性阻抗、6 位程控精密电阻衰减阵列， 该芯片的频带响应为DC~ 4 GHz。6 个控制位分别控制0. 5 dB、1 dB、2 dB、4 dB、8 dB、16 dB, 最小步进为0. 5 dB。最大衰减量程为31. 5 dB, 为了保证最大程度满足系统线性与动态响应。采用了两级相同的芯片，总的衰减量程达到63 dB, 保证低阻2 mV ~ 1 V / div, 高阻2 mV ~ 5 V/ div 衰减量程。

　　1. 5 高速差分放大器的设计

　　高速差分放大器的任务是将单端信号转换为差分输出信号， 以驱动ADC 电路和引出的内触发信号， 故放大器的输出应有极低的高频输出阻抗以适应长线传输的电容和电感负载。

　　为减小容性和感性负载， 在工艺上采用50 适配插头座和50微波电缆传输， PCB 传输引线采用 微带!布板工艺， 该级电路采用2 级高速差分运算放大器组成， 每级带宽响应为2. 5 GHz。每级放大器的增益为20 dB , 以适应ADC~500 mVp??p 满度数字化转换的电平要求， 两级运放之间插入带宽抑制低通滤波控制器， 抑制带宽约为30 MHz、100 MHz, 带宽限制功能以抑制测量低频信号时高频噪声干扰。该级电路还承担了信号位移偏移调节和直流电平自动调零任务。

　　1. 6 高速电路板的设计

　　由于前置放大器整个系统都处于高速传输状态， 所以在调试的过程中， 不可避免的会遇到传输阻抗匹配问题， 经验证PCB 布板对信号的传输影响很大， 容易引起信号完整性问题。主要原因是信号的上升时间和下降时间减少， 以及它与电路板上杂散电容杂散电感之间的相互作用， 导致信号完整性的基本原因就是缺少对信号回流的控制， 于是对PCB 布板采用以下原则， 板层的各信号层之间要有地隔离层， 不同电平信号走线要隔离， 对时钟信号要充分隔离和滤波， 高速信号线要控制4 mm 之内， 并保证差分信号线的等长和匹配， 同时要尽量减少过孔， 对于1 GHz 以上的信号要严格按照“微带线”布板， 以保证信号延迟精确度和阻抗匹配。电源的布线要充分考虑电源电流的回流过程。

　　2 系统测试及测试结果分析

　　2. 1 测试仪器设备

　　测试仪器设备如表1 所示。

　　表1 测试仪器设备

　　2. 2 测试方法

　　将LDP60104 示波器垂直量程置于5 mV/ div( 基准档) , 将9500B 示波器校正仪正弦信号送到示波器输入端口， 通过示波器屏幕观察信号显示的幅度， 分别读取示波器低阻和高阻时垂直系统的频率特性。低阻时该系统的频率特性在600~ 700 MHz 时上冲为15% , 通过对系统软件校正， 根据高斯信号理想幅频特性， 采用滤波器对通道幅频特性进行校正， 将通道输出补偿成接近于高斯信号的通道特征， 使通道的幅频特性得到较大的改善。系统在高阻1 MΩ时频响为560 MHz ( - 3 dB) 。低阻50 Ω时频响为1. 2 GHz( - 3 dB) 。低阻通道频响测试数据如表2 所示。

　　表2 通道频率响应测试数据

　　3 结论

　　本系统已成功用4 个通道， 1 GH z 带宽LDP60104 数字荧光示波器， 现已通过国家仪器检测中心的测试， 主要技术指标已达到国外同类产品的先进水平。