数字荧光示波器1GHz前置放大器的设计

　　摘要： 系统通过采用高速差分运算放大器、程控衰减阵列模块、射频双向模拟开关等芯片相结合的方式， 实现了低阻50Ω 带宽1 GH z( - 3 dB) , 高阻1 MΩ带宽500 M ( - 3 dB ) 并实现了2 mV/ div~ 5 V/ div 衰减量程， 系统还实现了自动量程控制， 直流电平自动位移调零控制， 最大限度降低了整个系统的失真和漂移， 经国家检测中心测试， 主要技术指标达到国外同类产品先进水平。

　　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。