CN102565485A

CN102565485A - 数字荧光示波器前置放大器

Info

Publication number: CN102565485A
Application number: CN2011104108558A
Authority: CN
Inventors: 吕华平; 赵猛
Original assignee: JIANGSU LVYANG ELECTRONIC INSTRUMENT GROUP CO Ltd
Current assignee: JIANGSU LVYANG ELECTRONIC INSTRUMENT GROUP CO Ltd
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明提供了一种数字荧光示波器1.5GHz前置放大器，该前置放大器由高阻衰减器、阻抗变换器、低阻步进程控衰减器、高速差分放大器、高低阻选择器等组成；输入信号首先经过高低阻的选择，当选择低阻时，信号经过射频继电器，直接进入到低阻步进程控衰减器；当选择高阻时，信号经过高阻衰减器、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步进程控衰减器，通过高速差分放大器，完成增益细调，单端信号变差分和电平转换的任务。该电路成功实现对相应的测量仪器的研发，特别是数字示波器的设计起到很大的推动作用，并能有效的填补国内中高端数字示波器研发的空白。

Description

数字荧光示波器前置放大器

技术领域

本发明属于信号放大、传输、处理技术领域，主要涉及一种数字荧光示波器1.5GHz前置放大器的设计方法。

背景技术

传统的示波器前置放大器电路基本都是采用分立元器件和普通贴片元器件组成，最高模拟带宽一般在200MHz～500MHz(-3dB),这大大限制了示波器的应用范围，成为示波器发展的瓶颈。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一个新的平台。宽带示波器与普通示波器相比，能够更加深入的了解信号的特性.能更好地捕捉到更高频率和更小的上升时间的被测信号。通道带宽特性是示波器的第一指标，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。

发明内容

通道带宽特性是示波器的第一指标，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。本发明提供了一种低阻50Ω，带宽1.5GHz（-3dB）,高阻（1MΩ），带宽560M Hz(-3dB )。并实现了2mV/div～5V/div衰减量程的数字示波器宽带前置放大器的设计方法。

本发明的技术方案是提出了一种数字荧光示波器1.5GHz前置放大器设计方法，由高阻衰减器、阻抗变换器、低阻步进程控衰减器、高速差分放大器、高低阻选择器等组成。输入信号首先经过高低阻的选择，当选择低阻时，信号经过射频继电器，直接进入到低阻步进程控衰减器；当选择高阻时，信号经过高阻衰减器、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步进程控衰减器，通过高速差分放大器，完成增益细调，单端信号变差分和电平转换的任务。

所述阻抗变换电路当示波器设置为高阻时，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输出。

所述阻抗变换电路还包括反馈电容C3，使合成的信号具有平坦的频率特性。

所述阻抗变换电路还包括电阻R5，为阻抗变换器提供直流负反馈通路。

所述高阻衰减器采用分压式结构，分压器的各个元器件的取值关系符合： R1/ (R1+ R2 ) = C1 / (C1 +C2 )；当继电器导通时，信号不经过衰减，直通下一级电路。

所述高阻衰减器的电容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。

所述高阻衰减器还包括电阻R3，用于抑制引线电感引起的阻尼和过冲。

所述低阻衰减器采用两级50Ω 的特性阻抗、6 位程控精密电阻衰减阵列。

所述高速差分放大器采用2级高速差分运算放大器组成，两级运放之间插入带宽抑制低通滤波控制器。

所述高速差分放大器的每级放大器的增益为20dB ，带宽响应为3.2GHz；带宽抑制低通滤波控制器的抑制带宽约为30 MHz、100 MHz。

本电路设计已成功用于4个通道，1.5GHz带宽的数字荧光示波器，该电路的频率特性在600～700MHz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，采用滤波器对示波器通道幅频特性进行校正，将示波器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一定的改善，在低阻50Ω时频率响应可以达到1.5GHz,高阻1MΩ时频率响应可以达到560MHz。该电路的成功实现对相应的测量仪器的研发，特别是数字示波器的设计起到很大的推动作用，并能有效的填补国内中高端数字示波器研发的空白。

附图说明

图1为数字荧光示波器1.5GHz前置放大器设计的原理框图。

图2为数字荧光示波器1.5GHz前置放大器的阻抗变换电路设计原理框图。

图3为数字荧光示波器1.5GHz前置放大器的高阻衰减器设计原理框图。

具体实施方式

如图1所示为数字荧光示波器1.5GHz前置放大器设计的原理框图；如图所示整个前置放大器由高阻衰减器、阻抗变换器、低阻步进程控衰减器、高速差分放大器、高低阻选择器等组成，输入信号首先经过高低阻的选择，当选择低阻时，信号经过射频继电器，直接进入到低阻步进程控衰减器；当选择高阻时，信号经过高阻衰减器、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步进程控衰减器，通过高速差分放大器，完成增益细调，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5mV/div 为基准档，ADC芯片输入满度信号为500mVp-p,则要求通道的总增益为12.5倍，由两级20dB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1MΩ输入，从而保护了后面的有源器件，不过压就转换50Ω输入。

如图2所示为数字荧光示波器1.5GHz前置放大器的阻抗变换电路设计原理框图，当示波器设置为高阻时，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最短，以使分布参数尽量最小，高阻器件的下面的大面积地层或电源布线层必须要掏空，以减小分布电容。

如图3所示为数字荧光示波器1.5GHz前置放大器的高阻衰减器设计原理框图，高阻衰减器采用分压式结构，K5-1射频继电器导通时，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500MHz带宽内获得平坦的频率特性也是一个很大的突破，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。

低阻衰减器是采用两级50Ω的特性阻抗6位程控精密电压衰减阵列，该芯片的频带响应为DC～6GHz，6个控制位为分别0.5dB、1dB、2dB、4dB、8dB、16dB，最小步进为0.5dB，最大衰减量程为31.5dB，为了保证最大程度满足系统线性与动态响应垂直通道的量程是从2mv/div～5v/div,采用了两级相同的芯片，总的衰减量程达到63dB，保证了低阻2mv/div～1v/div衰减量程,

高速差分放大器的任务是将单端信号转换为差分对称信号，以驱动ADC电路和引出的内触发信号，故N3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50Ω适配插头座和50Ω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，每级放大器的增益为20dB ，带宽响应为3.2GHz,以适应ADC～500mVp-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30MHz,100MHz,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任务。

Claims

1.一种数字荧光示波器1.5GHz前置放大器，其特征是：

由高阻衰减器、阻抗变换器、低阻步进程控衰减器、高速差分放大器、高低阻选择器等组成；输入信号首先经过高低阻的选择，当选择低阻时，信号经过射频继电器，直接进入到低阻步进程控衰减器；当选择高阻时，信号经过高阻衰减器、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步进程控衰减器，通过高速差分放大器，完成增益细调，单端信号变差分和电平转换的任务。

2.如权利要求1所述的数字荧光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于：所述阻抗变换电路当示波器设置为高阻时，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输出。

3.如权利要求2所述的数字荧光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于：所述阻抗变换电路还包括反馈电容C3，使合成的信号具有平坦的频率特性。

4.如权利要求2所述的数字荧光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于：所述阻抗变换电路还包括电阻R5，为阻抗变换器提供直流负反馈通路。

5.如权利要求1所述的数字荧光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于：所述高阻衰减器采用分压式结构，分压器的各个元器件的取值关系符合： R1/ (R1+ R2 ) = C1 / (C1 +C2 )；当继电器导通时，信号不经过衰减，直通下一级电路。

6.如权利要求5所述的数字荧光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于：所述高阻衰减器的电容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。

7.如权利要求5所述的数字荧光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于：所述高阻衰减器还包括电阻R3，用于抑制引线电感引起的阻尼和过冲。

8.如权利要求1所述的数字荧光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于：所述低阻衰减器采用两级50Ω 的特性阻抗、6 位程控精密电阻衰减阵列。

9.如权利要求1所述的数字荧光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于：所述高速差分放大器采用2级高速差分运算放大器组成，两级运放之间插入带宽抑制低通滤波控制器。

10.如权利要求9所述的数字荧光示波器1.5GHz前置放大器，其特征在于：所述高速差分放大器的每级放大器的增益为20dB ，带宽响应为3.2GHz；带宽抑制低通滤波控制器的抑制带宽约为30 MHz、100 MHz。