專利名稱：數(shù)字熒光示波器前置放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于信號放大、傳輸、處理技術領域，主要涉及ー種數(shù)字熒光示波器1. 5GHz 前置放大器的設計方法。
背景技術：
傳統(tǒng)的示波器前置放大器電路基本都是采用分立元器件和普通貼片元器件組成， 最高模擬帶寬一般在200MHz 500MHz (_3dB)，這大大限制了示波器的應用范圍，成為示波器發(fā)展的瓶頸。近年來，國外數(shù)字示波器飛速發(fā)展，中高端數(shù)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(shù)字熒光示波器，將數(shù)字示波器發(fā)展推向一個新的平臺。寬帶示波器與普通示波器相比，能夠更加深入的了解信號的特性.能更好地捕捉到更高頻率和更小的上升時間的被測信號。通道帶寬特性是示波器的第一指標，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(shù)據(jù)采集電路的基礎，也是示波器檔次劃分的重要依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
通道帶寬特性是示波器的第一指標，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(shù)據(jù)采集電路的基礎，也是示波器檔次劃分的重要依據(jù)。本發(fā)明提供了一種低阻50 Ω，帶寬1.5GHz (-3dB),高阻(IM Ω )，帶寬560M Hz (_3dB )。并實現(xiàn)了 2mV/div 5V/div衰減量程的數(shù)字示波器寬帶前置放大器的設計方法。本發(fā)明的技術方案是提出了ー種數(shù)字熒光示波器1. 5GHz前置放大器設計方法， 由高阻衰減器、阻抗變換器、低阻步進程控衰減器、高速差分放大器、高低阻選擇器等組成。 輸入信號首先經(jīng)過高低阻的選擇，當選擇低阻吋，信號經(jīng)過射頻繼電器，直接進入到低阻步進程控衰減器；當選擇高阻吋，信號經(jīng)過高阻衰減器、阻抗變換電路，由高阻輸入轉(zhuǎn)換為低阻輸出，再經(jīng)過射頻雙向選擇開關進入低阻步進程控衰減器，通過高速差分放大器，完成增益細調(diào)，單端信號變差分和電平轉(zhuǎn)換的任務。所述阻抗變換電路當示波器設置為高阻時，輸入信號經(jīng)過高阻衰減器分為兩路 一路是高頻信號，經(jīng)過電容Cl直接耦合到FET高阻輸入放大器IC2;另一路低頻信號成分經(jīng)過R1、R2組成的電阻分壓器加到運算放大器的同向輸入端，ICl輸出的低頻信號經(jīng)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(jīng)過阻抗變換為低阻輸出。所述阻抗變換電路還包括反饋電容C3，使合成的信號具有平坦的頻率特性。所述阻抗變換電路還包括電阻R5，為阻抗變換器提供直流負反饋通路。所述高阻衰減器采用分壓式結構，分壓器的各個元器件的取值關系符合Rl/ (Rl+ R2 ) = Cl / (Cl +C2 )；當繼電器導通吋，信號不經(jīng)過衰減，直通下ー級電路。所述高阻衰減器的電容C2為可調(diào)補償電容，用于補償元件參數(shù)和PCB板エ藝參數(shù)非一致性產(chǎn)生的分布電容偏差。所述高阻衰減器還包括電阻R3，用于抑制引線電感引起的阻尼和過沖。
所述低阻衰減器采用兩級50 Ω的特性阻杭、6位程控精密電阻衰減陣列。所述高速差分放大器采用2級高速差分運算放大器組成，兩級運放之間插入帶寬抑制低通濾波控制器。所述高速差分放大器的每級放大器的增益為20dB，帶寬響應為3. 2GHz ；帶寬抑制低通濾波控制器的抑制帶寬約為30 MHzUOO MHz0本電路設計已成功用于4個通道，1.5GHz帶寬的數(shù)字熒光示波器，該電路的頻率特性在600 700MHz時上沖為15%，通過對系統(tǒng)軟件校正，根據(jù)高斯信號理想幅頻特性，采用濾波器對示波器通道幅頻特性進行校正，將示波器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一定的改善，在低阻50Ω時頻率響應可以達到1.5GHz，高阻1ΜΩ時頻率響應可以達到560MHz。該電路的成功實現(xiàn)對相應的測量儀器的研發(fā)，特別是數(shù)字示波器的設計起到很大的推動作用，井能有效的填補國內(nèi)中高端數(shù)字示波器研發(fā)的空白。


圖1為數(shù)字熒光示波器1. 5GHZ前置放大器設計的原理框圖。圖2為數(shù)字熒光示波器1. 5GHz前置放大器的阻抗變換電路設計原理框圖。圖3為數(shù)字熒光示波器1. 5GHz前置放大器的高阻衰減器設計原理框圖。
具體實施例方式如圖1所示為數(shù)字熒光示波器1. 5GHz前置放大器設計的原理框圖；如圖所示整個前置放大器由高阻衰減器、阻抗變換器、低阻步進程控衰減器、高速差分放大器、高低阻選擇器等組成，輸入信號首先經(jīng)過高低阻的選擇，當選擇低阻吋，信號經(jīng)過射頻繼電器，直接進入到低阻步進程控衰減器；當選擇高阻吋，信號經(jīng)過高阻衰減器、阻抗變換電路，由高阻輸入轉(zhuǎn)換為低阻輸出，再經(jīng)過射頻雙向選擇開關進入低阻步進程控衰減器，通過高速差分放大器，完成增益細調(diào)，單端信號變差分和電平轉(zhuǎn)換的任務。為后續(xù)的ADC電路提供驅(qū)動，并為觸發(fā)電路輸送高速的觸發(fā)信號，以5mV/div 為基準檔，ADC芯片輸入滿度信號為 500mVp-p,則要求通道的總增益為12. 5倍，由兩級20dB増益高速差分放大器組成，當?shù)妥?50 Ω輸入信號產(chǎn)生過壓時，過壓檢測裝置輸出將射頻繼電器轉(zhuǎn)換為1ΜΩ輸入，從而保護了后面的有源器件，不過壓就轉(zhuǎn)換50 Ω輸入。如圖2所示為數(shù)字熒光示波器1. 5GHz前置放大器的阻抗變換電路設計原理框圖， 當示波器設置為高阻時，輸入信號經(jīng)過高阻衰減器分為兩路一路是高頻信號，經(jīng)過電容 Cl直接耦合到FET高阻輸入放大器IC2;另一路低頻信號成分經(jīng)過R1、R2組成的電阻分壓器加到運算放大器的同向輸入端，ICl輸出的低頻信號經(jīng)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(jīng)過阻抗變換為低阻輸出。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(wěn)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，特別是高阻輸入端ロ的器件必須引線最短，以使分布參數(shù)盡量最小，高阻器件的下面的大面積地層或電源布線層必須要掏空，以減小分布電容。如圖3所示為數(shù)字熒光示波器1. 5GHz前置放大器的高阻衰減器設計原理框圖， 高阻衰減器采用分壓式結構，K5-1射頻繼電器導通吋，信號不經(jīng)過衰減，直通下ー級電路，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500MHz帶寬內(nèi)獲得平坦的頻率特性也是一個很大的突破，分壓器的各個元器件之間，包括每個元器件的分布參數(shù)在內(nèi)，他們的取值關系應符合下式R1/(R1+R2)=C1/(C1+C2)，C2為可調(diào)補償電容，用于補償元件參數(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沖。 低阻衰減器是采用兩級50 Ω的特性阻抗6位程控精密電壓衰減陣列，該芯片的頻帶響應為DC 6GHz，6個控制位為分另Ij 0. 5dB、ldB、2dB、4dB、8dB、16dB,最小步進為0. 5dB，最大衰減量程為31. 5dB，為了保證最大程度滿足系統(tǒng)線性與動態(tài)響應垂直通道的量程是從2mv/div 5v/div，采用了兩級相同的芯片，總的衰減量程達到63dB，保證了低阻2mv/div lv/div衰減量程，
高速差分放大器的任務是將單端信號轉(zhuǎn)換為差分對稱信號，以驅(qū)動ADC電路和引出的內(nèi)觸發(fā)信號，故N3的輸出應有極低的高頻輸出阻抗以適應長線傳輸?shù)碾娙莺碗姼胸撦d。為減小容性和感性負載，在工藝上采用50Ω適配插頭座和50Ω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，每級放大器的增益為20dB，帶寬響應為3. 2GHz，以適應ADC 500mVp-p滿度數(shù)字化轉(zhuǎn)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30MHz，100MHz,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(diào)節(jié)任務。
權利要求
1.ー種數(shù)字熒光示波器1. 5GHZ前置放大器，其特征是由高阻衰減器、阻抗變換器、低阻步進程控衰減器、高速差分放大器、高低阻選擇器等組成；輸入信號首先經(jīng)過高低阻的選擇，當選擇低阻吋，信號經(jīng)過射頻繼電器，直接進入到低阻步進程控衰減器；當選擇高阻吋，信號經(jīng)過高阻衰減器、阻抗變換電路，由高阻輸入轉(zhuǎn)換為低阻輸出，再經(jīng)過射頻雙向選擇開關進入低阻步進程控衰減器，通過高速差分放大器， 完成增益細調(diào)，單端信號變差分和電平轉(zhuǎn)換的任務。
2.如權利要求1所述的數(shù)字熒光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于所述阻抗變換電路當示波器設置為高阻時，輸入信號經(jīng)過高阻衰減器分為兩路一路是高頻信號，經(jīng)過電容Cl直接耦合到FET高阻輸入放大器IC2;另一路低頻信號成分經(jīng)過R1、R2組成的電阻分壓器加到運算放大器的同向輸入端，ICl輸出的低頻信號經(jīng)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(jīng)過阻抗變換為低阻輸出。
3.如權利要求2所述的數(shù)字熒光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于所述阻抗變換電路還包括反饋電容C3，使合成的信號具有平坦的頻率特性。
4.如權利要求2所述的數(shù)字熒光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于所述阻抗變換電路還包括電阻R5，為阻抗變換器提供直流負反饋通路。
5.如權利要求1所述的數(shù)字熒光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于所述高阻衰減器采用分壓式結構，分壓器的各個元器件的取值關系符合Rl/ (Rl+ R2 ) = Cl / (Cl +C2 )；當繼電器導通吋，信號不經(jīng)過衰減，直通下ー級電路。
6.如權利要求5所述的數(shù)字熒光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于所述高阻衰減器的電容C2為可調(diào)補償電容，用于補償元件參數(shù)和PCB板エ藝參數(shù)非一致性產(chǎn)生的分布電容偏差。
7.如權利要求5所述的數(shù)字熒光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于所述高阻衰減器還包括電阻R3，用于抑制引線電感引起的阻尼和過沖。
8.如權利要求1所述的數(shù)字熒光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于所述低阻衰減器采用兩級50 Ω的特性阻杭、6位程控精密電阻衰減陣列。
9.如權利要求1所述的數(shù)字熒光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于所述高速差分放大器采用2級高速差分運算放大器組成，兩級運放之間插入帶寬抑制低通濾波控制器。
10.如權利要求9所述的數(shù)字熒光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于所述高速差分放大器的每級放大器的增益為20dB，帶寬響應為3. 2GHz ；帶寬抑制低通濾波控制器的抑制帶寬約為30 MHzUOO MHz。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種數(shù)字熒光示波器1.5GHz前置放大器，該前置放大器由高阻衰減器、阻抗變換器、低阻步進程控衰減器、高速差分放大器、高低阻選擇器等組成；輸入信號首先經(jīng)過高低阻的選擇，當選擇低阻時，信號經(jīng)過射頻繼電器，直接進入到低阻步進程控衰減器；當選擇高阻時，信號經(jīng)過高阻衰減器、阻抗變換電路，由高阻輸入轉(zhuǎn)換為低阻輸出，再經(jīng)過射頻雙向選擇開關進入低阻步進程控衰減器，通過高速差分放大器，完成增益細調(diào)，單端信號變差分和電平轉(zhuǎn)換的任務。該電路成功實現(xiàn)對相應的測量儀器的研發(fā)，特別是數(shù)字示波器的設計起到很大的推動作用，并能有效的填補國內(nèi)中高端數(shù)字示波器研發(fā)的空白。
文檔編號G01R13/02GK102565485SQ20111041085
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權日2011年12月12日
發(fā)明者呂華平, 趙猛 申請人:江蘇綠揚電子儀器集團有限公司