引言

　　近年來， 國外數字示波器飛速發展， 中高端數字示波器市場基本被美國泰克、安捷倫、力科公司占有， 美國泰克公司在21 世紀初首先推出數字熒光示波器， 將數字示波器發展推向1 個新的平臺。前置放大器芯片采用了砷化鎵快膜封裝的高新技術， 使產品的模擬帶寬、采樣率、底噪聲， 觸發抖動、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， 對寬帶示波器來說， 通道帶寬的設計是非常重要的工作， 它是高速數據采集電路的基礎， 也是示波器檔次劃分的重要依據。

　　1 系統設計

　　1. 1 系統總體設計方案

　　整個前置放大器由4 個部分組成。高阻程控衰減器、阻抗變換器、低阻步進程控衰減器、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

　　輸入信號首先經過50Ω 、1 MΩ 的選擇， 當選擇50時， 信號經過射頻繼電器， 直接進入到低阻程控衰減器， 當選擇1 MΩ時， 信號經過阻抗變換電路， 由高阻輸入轉換為低阻輸出， 再經過射頻雙向選擇開關進入低阻程控衰減器， 完成增益調節。通過高速運算放大器完成單端信號變差分和電平轉換的任務。為后續的ADC 電路提供驅動， 并為觸發電路輸送高速的觸發信號。以5 mV/ div 為基準檔， ADC芯片輸入滿度信號為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20 dB增益高速差分放大器組成。當低阻50Ω 輸入信號產生過壓時， 過壓檢測裝置輸出將射頻繼電器轉換為1 MΩ輸入， 從而保護了后面的有源器件， 不過壓就跳回低阻50 Ω輸入。

　　1. 2 阻抗變換電路的設計

　　阻抗變換電路如圖2 所示。

　　圖2 阻抗變換電路

　　當示波器設置為高阻1 M 時， 輸入信號經過高阻衰減器分為兩路： 一路是高頻信號， 經過電容C1 直接耦合到FET 高阻輸入放大器IC2; 另一路低頻信號成分經過R1、R2 組成的電阻分壓器加到運算放大器的同向輸入端，IC1 輸出的低頻信號經過的R4, 在IC2 的輸入端與高頻信號成分合成， 合成后的信號經過阻抗變換為低阻50Ω 輸出， 反饋電容C3 的加入， 使合成的信號具有平坦的頻率特性， R5 為阻抗變換器提供直流負反饋通路， 保證了整個電路具有良好的直流特性和溫度漂移的穩定性， 在阻抗變換電路中， PCB 的布局布線對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 高阻衰減器設計

　　高阻衰減器采用分壓式結構， 如圖3 所示。

　　圖3 高阻衰減器

　　K1 繼電器導通時， 信號不經過衰減， 直通下一級電路，由于是高阻抗輸入， 所以對繼電器開關要求很高， 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量的要求。高阻衰減器要在500 M 帶寬內獲得平坦的頻率特性也有很大的難度，分壓器的各個元器件之間包括每個元器件的分布參數在內， 他們的取值關系應符合下式： R1/ (R1+ R2 ) = C1 / (C1 +C2 ) , C2 為可調補償電容， 用于補償元件參數和PCB 板工藝參數非一致性產生的分布電容偏差， R3 是用于抑制引線電感引起的阻尼和過沖。

1. 4 低阻衰減器設計

　　低阻衰減器是采用兩級50 的特性阻抗、6 位程控精密電阻衰減陣列， 該芯片的頻帶響應為DC~ 4 GHz。6 個控制位分別控制0. 5 dB、1 dB、2 dB、4 dB、8 dB、16 dB, 最小步進為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線性與動態響應。采用了兩級相同的芯片，總的衰減量程達到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計

　　高速差分放大器的任務是將單端信號轉換為差分輸出信號， 以驅動ADC 電路和引出的內觸發信號， 故放大器的輸出應有極低的高頻輸出阻抗以適應長線傳輸的電容和電感負載。

　　為減小容性和感性負載， 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， 該級電路采用2 級高速差分運算放大器組成， 每級帶寬響應為2. 5 GHz。每級放大器的增益為20 dB , 以適應ADC~500 mVp??p 滿度數字化轉換的電平要求， 兩級運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量低頻信號時高頻噪聲干擾。該級電路還承擔了信號位移偏移調節和直流電平自動調零任務。

　　1. 6 高速電路板的設計

　　由于前置放大器整個系統都處于高速傳輸狀態， 所以在調試的過程中， 不可避免的會遇到傳輸阻抗匹配問題， 經驗證PCB 布板對信號的傳輸影響很大， 容易引起信號完整性問題。主要原因是信號的上升時間和下降時間減少， 以及它與電路板上雜散電容雜散電感之間的相互作用， 導致信號完整性的基本原因就是缺少對信號回流的控制， 于是對PCB 布板采用以下原則， 板層的各信號層之間要有地隔離層， 不同電平信號走線要隔離， 對時鐘信號要充分隔離和濾波， 高速信號線要控制4 mm 之內， 并保證差分信號線的等長和匹配， 同時要盡量減少過孔， 對于1 GHz 以上的信號要嚴格按照“微帶線”布板， 以保證信號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程。

　　2 系統測試及測試結果分析

　　2. 1 測試儀器設備

　　測試儀器設備如表1 所示。

　　表1 測試儀器設備

　　2. 2 測試方法

　　將LDP60104 示波器垂直量程置于5 mV/ div( 基準檔) , 將9500B 示波器校正儀正弦信號送到示波器輸入端口， 通過示波器屏幕觀察信號顯示的幅度， 分別讀取示波器低阻和高阻時垂直系統的頻率特性。低阻時該系統的頻率特性在600~ 700 MHz 時上沖為15% , 通過對系統軟件校正， 根據高斯信號理想幅頻特性， 采用濾波器對通道幅頻特性進行校正， 將通道輸出補償成接近于高斯信號的通道特征， 使通道的幅頻特性得到較大的改善。系統在高阻1 MΩ時頻響為560 MHz ( - 3 dB) 。低阻50 Ω時頻響為1. 2 GHz( - 3 dB) 。低阻通道頻響測試數據如表2 所示。

　　表2 通道頻率響應測試數據

　　3 結論

　　本系統已成功用4 個通道， 1 GH z 帶寬LDP60104 數字熒光示波器， 現已通過國家儀器檢測中心的測試， 主要技術指標已達到國外同類產品的先進水平。