CN105116362B - 一种具有程控校正功能的示波器模拟前端阻抗变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有程控校准功能的示波器模拟前端阻抗变换电路，通过在高频晶体三极管发射极增加一个到负电源的程控电流源。在直流增益不变的情况下，通过程控调节程控电流源的电流，从而调整阻抗变换电路中输出级的高频晶体三极管的发射极电流，使得阻抗变换电路的交流增益等于直流增益一致。出厂前，调节程控电流源的电流，使得阻抗变换电路的交流增益等于直流增益一致，不需要人工手动调节偏置电阻，也就不需要拆开机器，方便生产调试。此外，在后级程控可变增益电路的输入静态电阻发生变化时，可以进行动态调整，克服了现有技术，不适合后级负载R_L动态变化的场合。

Description

一种具有程控校正功能的示波器模拟前端阻抗变换电路

技术领域

本发明属于高速数据采集中模拟信号调理技术领域，更为具体地讲，涉及一种具有程控校准功能的示波器模拟前端阻抗变换电路，能够通过软件程序对电路低频方波失真进行校准，从而实现直流增益和交流增益的一致性校正。

背景技术

模拟信号调理前端电路是许多数据采集系统中不可或缺的重要部分，用于实现对信号的放大或衰减、阻抗变换、偏置调整等功能，从而实现对被测信号的精确定量测量。在通用电子测试仪器数字示波器中，需要对各种复杂宽带信号进行测试，因此其频率响应覆盖直流信号和高频交流信号，也就是要求模拟前端的直流(DC)增益和交流增益相同。

常见的示波器模拟前端电路结构组成如图1所示，其中，包括无源衰减网络、阻抗变换电路、偏置调节电路、程控增益放大电路、ADC(缓冲)驱动电路等。其中无源衰减网络对大信号进行衰减，小信号则直接通过，实现基本的粗增益控制；阻抗变换电路用于对被测信号的缓冲，实现高阻输入，低阻输出，并能够对信号进行偏置电压调节；可变增益电路根据示波器垂直灵敏度，进行增益控制，通常宽带示波器通道中，该电路是由数控衰减器和固定增益放大器组成；最后信号一部分去触发通道用于实现同步，另一部分经过ADC(缓冲)驱动电路，送至ADC进行量化。

如图2所示，一般阻抗变换电路可以用运算放大器来实现，但对于从频率响应覆盖直流到GHz带宽的运算放大器几乎没有，所以对于宽带示波器阻抗变换电路，通常采用对信号高频分量，低频分量分路径的方式进行传输，最后再合成。由于是通过分离元件搭建阻抗变换电路，交流增益和直流增益如果不一致，会表现在低频方波失真，原因是交流通路中分离元器件晶体管等对于不同的静态电流，表现出不同的交流增益(G_AC)，而当直流通路的增益(G_DC)固定不变，则会出现当G_AC与G_DC不一致的情况，时域表现为低频方波信号失真，如图3所示；而频域表现为信号频率响应不平坦。

传统的阻抗变换电路如图4所示，输入信号V_i进入阻抗变换电路有两条路径，高频路径经过C₃通过，送至高频场效应管中；低频路径经过电阻R₃、R₄分压后送至运算放大器U₁构建的负反馈电路中，其中R₁₅为反馈电阻，只要电路中参数调节合适，输出电压V_o与输入V_i成线性比例。

交流信号增益G_AC受宽带场效应管和晶体管的插入损耗损耗A影响，通常衰减约0.5～2dB；

G_AC＝A (式1)

直流信号增益为G_DC主要受低频反馈电路影响，不妨假定此时输入为直流信号，如图4中所示，V_i为输入直流信号，V′_i为运放的正向端输入电压，则有：

(式3)

V_os是直流偏置调节输入电压，则有：

(式4)

根据(式3)和(式4)可得到如下关系：

(式5)

根据(式5)，当直流偏置调节电压V_os＝0时，可得低频直流增益G_DC：

(式6)

这里要求高频增益和低频增益相等，则有：

G_AC＝G_DC＝A (式7)

根据(式6)和(式7)，可以得到：

(式8)

由式8可得，通过调节电站R₅，可以使得电路总体上是保证直流低频增益和交流高频增益一致。

另外，电阻R₇、R₈和电容C₄组成一个局部负反馈，其分压比例同电阻R₃和R₄分压比例相当，满足如下条件：

(式9)

按照上述关系式调节阻容元件参数，使得该阻抗变换电路总体频率响应满足设计要求。

显然，由于分离元件的参数离散性，三级管的插入损耗A是不确定的，所以为了满足(式8)的要求，实现对阻抗变换电路中交流增益(G_AC)直流增益(G_DC)的一致性进行校正，解决方法是调节电阻参数，在仪器出厂前，通过手动调节可调电阻R₅来进行高低频增益一致性校正。这种方法的如下不足之处：

一、在于需要人工手动调整可调电阻R₅，一旦发现没有校正好，就需要拆开机器重新校准硬件，给生产调试带来不便；

二、该电路要求后级负载R_L稳定，如果后级负载R_L不稳定，会影响阻抗变换电路中晶体管的静态集电极电流，从而影响交流增益大小，这就破坏了直流增益和交流增益的一致性，不得不重新调整可调电阻R₅，所以，传统的调节可调电阻R₅的方法，不适合后级负载R_L动态变化的场合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有程控校准功能的示波器模拟前端阻抗变换电路，以实现对阻抗变换的程序化控制，通过软件编程，实现对阻抗变换电路中交流增益(G_AC)直流增益(G_DC)的一致性进行校正，从而提高阻抗变换电路的应用场合适应性，以及为生产调试带来方便，提高效率。

为实现上述发明目的，本发明具有程控校准功能的示波器模拟前端阻抗变换电路，其特征在于，包括：

一耦合电容

第一、第二N型高频场效应管，被测信号经过耦合电容输入到第一N型高频场效应管的栅极，第一N型高频场效应管的漏极接正电源，第一N型高频场效应管的源极接到栅极与源极相连、且源极接负电源的第二N型高频场效应管的漏极；

一NPN型的高频晶体三极管，其集电极接正电源，基极接第一N型高频场效应管的源极，发射极为输出端，与后级程控可变增益电路相连；

第一、第二电阻以及运算放大器，被测信号经过第一电阻后连接到运算放大器的正相输入端，第二电阻连接在运算放大器的正相输入端与地之间；

偏置调节电阻，偏置调节电压通过该电阻接入运算放大器的反相输入端；

第三、第四、第五电阻以及局部反馈电容，运算放大器的输出端通过第三电阻连接到第一N型高频场效应管的栅极，同时通过第四电阻、第五电阻连接到地，局部反馈电容连接在运算放大器的反相输入端与第四电阻、第五电阻的连接点之间；

反馈电阻，连接在NPN型的高频晶体三极管发射极与运算放大器的反相输入端；

其特征在于，还包括一程控电流源，高频晶体三极管发射极经发射极电阻、程控电流源连接到负电源，并受示波器系统软件控制，用于调节交流增益，使阻抗变换电路的交流增益与直流增益一致。

本发明的目的是这样实现的。

本发明具有程控校准功能的示波器模拟前端阻抗变换电路，通过在高频晶体三极管发射极增加一个到负电源的程控电流源。在直流增益不变的情况下，通过程控调节程控电流源的电流，从而调整阻抗变换电路中输出级的高频晶体三极管的发射极电流，使得阻抗变换电路的交流增益等于直流增益一致。出厂前，调节程控电流源的电流，使得阻抗变换电路的交流增益等于直流增益一致，不需要人工手动调节偏置电阻，也就不需要拆开机器，方便生产调试。此外，在后级程控可变增益电路的输入静态电阻发生变化时，可以进行动态调整，克服了现有技术，不适合后级负载R_L动态变化的场合。

附图说明

图1是示波器模拟前端电路结构框图；

图2是高低频分量分路径传输阻抗变换原理框图；

图3是低频方波输入信号经过阻抗变换电路之后失真波形图；

图4是现有阻抗变换电路原理图；

图5是本发明具有程控校准功能的示波器模拟前端阻抗变换电路一阵剧痛实施方式原理图；

图6是图5所示阻抗变换电路中高频三极管交流等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

在本实施例中，如图5所示，本发明具有程控校准功能的示波器模拟前端阻抗变换电路与已有技术方案(如图4所示)区别在于增加了程控电流源，而且并且偏置调节电阻R₅为固定值电阻，而非可调电阻，能够通过软件程序控制实现直流增益和交流增益的一致性校准。即使当阻抗变换电路后级负载R_L(程控增益调节电路)有变化时候，仍然可以通过软件程序控制的方式，对直流增益和交流增益的一致性进行校正。

在本实施例中，耦合电容为C₃、第一N型高频场效应管为Q₁、第二N型高频场效应管为Q₃、NPN型的高频晶体三极管为Q₂、第一、第二电阻以及运算放大器分别为R₃、R₄以及U₁、偏置调节电阻为R₅、第三、第四、第五电阻以及局部反馈电容分别为R₆、R₇、R₈以及C₄、反馈电阻为R₁₅、发射极电阻为R₆。在本实施例中，程控电流源由一运算放大器、一NPN晶体三极管以及电阻R₂₀构成，其电流I_IC等于程控电压V_IC除以电阻R₂₀，该电流源的构成为典型电路，其原理在此不再赘述。

在交流信号通路中，被测信号经过耦合电容为C₃后，再经过由第一N型高频场效应管Q₁构成的共漏放大电路，然后再经过由NPN型的高频晶体三极管为Q₂构成的共集放大电路，然后输出到后级(程控可变增益电路)负载R_L。根据h参数模型，这一过程的交流等效电路如图6所示。交流增益包括高频场效应管的增益、高频晶体管的增益，这些与模拟器件的静态参数相关。

第一N型高频场效应管Q₁构成的共漏放大电路增益如下：

(式10)

其中g_m是场效应管的跨导，R_S是场效应管源极所接的等效电阻，由于场效应管后级接NPN型的高频晶体三极管基极，负载电阻较大，且几乎不变化，所以在阻抗变换电路中，第一N型高频场效应管Q₁接近于1，且几乎不变。

NPN型的高频晶体三极管构成的共集放大电路的增益如下：

(式11)

其中β为晶体管的电流放大倍数，由器件自身特性决定，R_e为与发射极所接各个电阻的等效电阻，r_be为晶体管基极到发射极的等效电阻，表达式如下：

(式12)

其中U_T为半导体PN结温度当量，常温下约为26mV，r_bb’为基区体电阻，仅仅与杂质浓度和制造工艺相关，I_EQ为发射极静态电流，与所接静态负载有关，及r_be与晶体管静态参数相关。将(式12)代入(式11)可得：

(式13)

由(式13)可得，NPN型的高频晶体三极管交流增益与发射极所接电阻Re和发射极静态电流I_EQ有关。在阻抗变换电路，当所接负载发生变化，则交流增益发生变化，此时如果直流增益不变，则阻抗变换电路直流增益和交流增益不一致，就会引起信号失真。

本发明的思路是在直流增益不变的情况下，如果交流增益发生变化，则通过调整阻抗变换电路中的发射极静态电流I_EQ，使得阻抗变换电路中的交流增益等于直流增益。具体实施方式是在高频晶体三极管发射极电阻位置处串联了一个程控电流源。

进一步分析可得晶体管静态电流I_EQ由流过发射极电阻R₁₂和的电流I_E1和流过负载电阻R_L和的电流I_L组成。而I_E1受程控电流源控制，大小近似等于流过电阻R₂₀的电流I_IC

(式14)

其中V_IC是电流源的控制电压，用于控制电流源的大小，可通过数模转换器给出；Voq是输出静态电压，R_L是阻抗变换电路的负载。实际情况是由于阻抗变换电路后级接程控可变增益电路，而对于宽带信号调理模拟前端，程控可变增益电路通常是由数控衰减器和固定增益放大器组成，对于不同的垂直灵敏度，数控衰减器的衰减倍数不同，对应的呈现的输入静态电阻也会发生一定的变化，从而导致影响阻抗变换电路的特性。将(式14)代入(式13)可得：

(式15)

为了简化分析，不妨设V_oq为零，则可以得到：

(式15)

显然，交流增益G_{BJT_AC}受电流源控制电压V_IC的影响，当由于元件离散性，或者负载变化引起交流增益G_{BJT_AC}变化,可以通过V_IC调节，使得G_{BJT_AC}回到原值，从而确保交流增益和直流增益一致。

校准时候，可输入一个低频方波(如10Hz方波)，如果发现方波失真，可以通过软件程序控制V_IC，直至方波失真最小，则表示已经校正好直流增益和交流增益的一致性。这样不仅给生产调试带来方便，也适应后级负载动态变化的场合。

在本发明中，各器件或电路是方便描述，可以根据需要进行等同替换。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种具有程控校准功能的示波器模拟前端阻抗变换电路，其特征在于，包括：

一耦合电容；

两个N型高频场效应管，被测信号经过耦合电容输入到第一N型高频场效应管的栅极，第一N型高频场效应管的漏极接正电源，第一N型高频场效应管的源极接到栅极与源极相连、且源极接负电源的第二N型高频场效应管的漏极；

一NPN型的高频晶体三极管，其集电极接正电源，基极接第一N型高频场效应管的源极，发射极为输出端，与后级程控可变增益电路相连；

第一、第二电阻以及运算放大器，被测信号经过第一电阻后连接到运算放大器的正端，第二电阻连接在运算放大器的正端与地之间；

偏置调节电阻，偏置调节电压通过该电阻接入运算放大器的负端；

第三、第四、第五电阻以及局部反馈电容，运算放大器的输出端通过第三电阻连接到第一N型高频场效应管的栅极，同时通过第四电阻、第五电阻连接到地，局部反馈电容连接在运算放大器的负端与第四电阻、第五电阻的连接点之间；

反馈电阻，连接在NPN型的高频晶体三极管发射极与运算放大器的负端；

其特征在于，还包括一程控电流源，高频晶体三极管发射极经发射极电阻、程控电流源连接到负电源，并受示波器系统软件控制，用于调节交流增益，使阻抗变换电路的交流增益与直流增益一致。

2.根据权利要求1所述的变换电路，其特征在于，偏置调节电阻是固定值电阻，而非可调电阻。