一種寬帶全量程示波器信道保護器研制

李海濤 ，李斌康 ，2，陳彥麗 ，田 耕 ，2，趙 前 ，阮林波 ，2

（1.西北核技術研究所，陜西 西安 710024；2.強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室，陜西 西安 710024）

0 引言

在強脈沖輻射場信號測量時，待測脈沖信號動態(tài)范圍大，測試時需要兼顧大動態(tài)范圍測量和波形細節(jié)測量，一般采用示波器信道量程搭接的方法來實現(xiàn)[1-2]。常用示波器垂直分辨率有限（8 bit 或者12 bit，2～3 個數(shù)量級），在進行信道量程搭接測量時（50 Ω 負載），每個信道受到的脈沖信號的沖擊是一致的，對高靈敏度信道而言，高強度的脈沖信號沖擊可能會造成示波器信道性能超差、損壞，甚至導致示波器測量數(shù)據(jù)丟失。因此，在進行脈沖輻射場信號測量時，需要對示波器信道進行保護，防止出現(xiàn)信道損壞、數(shù)據(jù)丟失等后果。

一直以來，研制性能優(yōu)良的示波器信道保護器是一個迫切需求[3-4]。為了實現(xiàn)對輸入脈沖信號的無失真輸出和對示波器信道的保護功能，保護器應該具備以下的功能：（1）輸入輸出線性度高、無失真，輸出信號低噪聲，確保脈沖信號在傳輸鏈路上不引入額外干擾、性能不降低，確保輸出信號對示波器量程全覆蓋（50 Ω 負載）。（2）具有輸出飽和能力，即在輸入信號超過一定幅度時，輸入阻抗保持不變，輸出信號幅值飽和，且該幅值處于示波器信道的可承受的幅值范圍之內(nèi)。（3）具有優(yōu)良的delta 響應，對大擺率的delta 信號，實現(xiàn)無失真跟隨輸出，實現(xiàn)對大幅度信號的寬帶無失真響應。（4）具有快恢復能力，當脈沖信號幅值下降到示波器的可測幅值范圍內(nèi)時，保護器需要及時從保護狀態(tài)恢復至正常工作狀態(tài)，確保在量程范圍內(nèi)實現(xiàn)對脈沖信號的無失真跟隨等。

保護器的核心是模擬信號調(diào)理鏈路，實現(xiàn)對輸入脈沖信號的寬帶全量程、低噪聲、無失真輸出和對示波器信道的實時保護等功能。文獻[5]提出的一種通用示波器信道保護器，采用1 片TI 公司的THS3201 作為核心運算放大器芯片，輸出電壓幅度范圍為±3 V（50 Ω 負載），-3 dB 帶寬約為750 MHz，該保護器不能無失真輸出3 V以上的脈沖信號，對delta 信號的響應不夠及時準確；文獻[3]使用2 片TI 公司的THS3091 運算放大器芯片，基于負載共享技術路線實現(xiàn)了對示波器信道的全量程保護功能，但是，雙運放之間的不均衡導致該型保護器的-3 dB 帶寬約為200 MHz，帶內(nèi)平坦度較差，對delta信號的響應不夠及時準確。

1 設計研制

為了實現(xiàn)對示波器的寬帶全量程保護（50 Ω 負載）、對delta 信號的無失真響應的功能，需要選取高輸出驅(qū)動電流、高帶寬、高線性的運算放大器芯片。本文選用了TI 公司推出的THS3491 運算放大器芯片，設計了寬帶全量程的保護器[6]，如圖1 所示。

圖1 示波器信道保護器實物

THS3491 運算放大器是電流反饋型（Current Feed Back，CFB）運算放大器，-3 dB 帶寬900 MHz，擺率8 000 V/μs，線性輸出電流典型值±420 mA，可實現(xiàn)輸出電流限制和輸出電壓軌到軌，THS3491 運算放大器芯片提供了SOIC和VQFN 兩種封裝模式以供選擇。本文利用THS3491 的高帶寬和高輸出驅(qū)動電流實現(xiàn)對示波器信道的寬帶全量程覆蓋和delta 信號的無失真響應，利用輸出驅(qū)動電流飽和限制實現(xiàn)對示波器信道的有源保護功能。通過實現(xiàn)板級的信號完整性設計（Signal Integrity，SI）、電源完整性設計（Power Integrity，PI）等，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能，達到了對脈沖信號的寬帶全量程無失真跟隨輸出功能。

1.1 信號完整性設計

信號完整性設計基于射頻信號理論、傳輸線理論等，主要采用阻抗控制、端接等方法，確保信號傳輸鏈路上的特征阻抗連續(xù)，解決因阻抗不連續(xù)等導致的信號畸變問題[7-9]。電源完整性設計的主要目的是實現(xiàn)對低噪聲電壓的分配和快電流的及時響應，信號完整性設計的主要目的是解決信號傳輸過程中的畸變問題；兩者的實現(xiàn)方法不同，實現(xiàn)的基本理論亦不同，具體如表1 所示。

表1 信號完整性和電源完整性區(qū)別

在PCB 設計時，需要注意模擬信號鏈路上的信號完整性設計，以求能夠發(fā)揮出系統(tǒng)的最佳性能，包括：輸入輸出路徑隔離與匹配、運算放大器芯片引腳連接、PCB層開窗等。

在模擬信號的輸入輸出路徑上增加隔離串聯(lián)電阻，一方面能確保信號傳輸路徑上的特征阻抗連續(xù)；第二能確保傳輸路徑上前后端隔離，防止寄生參數(shù)惡化系統(tǒng)性能，確保系統(tǒng)帶寬內(nèi)的平坦度等[10-11]。

關于運算放大器芯片引腳連接，設計時電源引腳和信號引腳兩類分別考慮。針對電源引腳的去耦，研制保護器PCB 上包含獨立的電源/地層，高效及時響應系統(tǒng)的電壓電流需求，為最優(yōu)化系統(tǒng)性能實現(xiàn)奠定基礎。信號引腳上的信號線一般采取最短走線原則，這樣可以有效確保芯片對負反饋控制的及時響應，降低傳輸路徑上的寄生參數(shù)。

關于PCB 層的開窗，一般要求對芯片及走線正下方的PCB 層開窗，這樣可以降低信號路徑上引入的寄生參數(shù)干擾，優(yōu)化系統(tǒng)的高頻性能。有多種開窗方式可供選擇，可以把芯片正下方區(qū)域全部開窗，也可以只把芯片敏感引腳正下方區(qū)域部分開窗；可以把芯片正下方區(qū)域PCB 層全部開窗，也可以把芯片正下方區(qū)域的60%的PCB 層開窗；本文采用了在芯片及敏感走線的正下方區(qū)域的60%的PCB 層開窗的方式，實測指標較優(yōu)。根據(jù)THS3491 的封裝不同研制了兩種保護器。

1.2 電源完整性設計

電源完整性設計基于電源芯片選型、電源濾波、電源去耦等理論，通過對電源的產(chǎn)生、分配、回流、去耦等鏈路控制，實現(xiàn)系統(tǒng)對低噪聲電壓的分配和快電流的及時響應等功能[12-15]。

為保護器設計的電源分配網(wǎng)絡如圖2 所示，綜合考慮了電源利用率和電源噪聲等因素，采用“DC/DC+LDO”的模式為THS3491 提供正負電源。DC/DC 轉(zhuǎn)換器采用了ADI 公司的LTM8049 芯片，把輸入的5 V 電壓，通過Buck/Boost 轉(zhuǎn)換后輸出+18 V、-18 V 電壓；±18 V 電壓 噪 聲較大，經(jīng)過濾波可以降低其中的開關頻率噪聲和低頻噪聲，濾波功能通過在鏈路上增加磁珠、RC Snubber 等方式實現(xiàn)；濾波后的±18 V 電壓分別輸入到正負電壓的LDO中，正電壓LDO 選擇ADI 公司的LT1764，負電壓LDO選擇ADI 公司的LT3015，經(jīng)過降壓轉(zhuǎn)換后，輸出±15 V電壓，作為THS3491 的工作電壓。

圖2 設計的電源分配網(wǎng)絡

LDO 的輸出電壓能夠完成系統(tǒng)對100 kHz 以下的電流需求的及時響應，對超過該頻率的系統(tǒng)電流需求無法及時響應。去耦功能可是實現(xiàn)系統(tǒng)對高頻電流需求的及時響應，去耦功能主要是通過去耦電容等實現(xiàn)，去耦電容的封裝選擇、容值選擇、擺放位置等可以通過去耦半徑[12，14]的概念進行分析。

在PCB 上，電源/地不僅為系統(tǒng)的電子元器件提供工作電壓，而且還為電源、信號提供了最短的回流路徑。在高頻電路設計時，無論是電源還是信號，其回流路徑是最低感抗回流路徑。為了確保高速信號回流，設計的保護器為4 層板，設計專門的電源/地層，且地層緊靠高速信號的走線層，降低其回流路徑上的感抗和阻抗，降低噪聲。在頂層（Top）和底層（Bottom）走線完成之后，進行表面敷銅接地處理，可以減小地線阻抗，提高抗干擾能力；降低電壓傳輸壓降，提高電源效率；與地線相連，還可以減小回流環(huán)路面積。此外，電源/地還作為PCB 上元器件的散熱路徑，降低熱阻，提高系統(tǒng)的散熱速度，保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

2 性能測試

對研制的示波器信道保護器進行測試，首先比較了兩種封裝的保護器的幅頻特性曲線，標定保護器的小信號帶寬和帶內(nèi)平坦度。其次標定其輸入輸出線性度，測試其輸出噪聲。接著實測了保護器的delta 響應，發(fā)現(xiàn)并理論解釋了保護器輸出的峰移現(xiàn)象。最后測試了保護器的輸出保護功能和輸出恢復時間。文中如無特別說明，性能測試中的保護器輸出電壓幅值是針對50 Ω 負載測量得到的。

采用Keisight 的網(wǎng)絡分析儀測試了兩種封裝規(guī)格的保護器，分別采用了SOIC、VQFN 封裝的THS3491 作為運算放大器芯片，自研示波器信道保護器，其波特圖如圖3、圖4 所示?？梢钥吹?，采用SOIC 封裝THS3491 的保護器在低于670 MHz 的頻帶內(nèi)平坦度約為0.6 dB，-3 dB帶寬約為800 MHz，在300 MHz～500 MHz 頻率區(qū)間內(nèi)有一個極點導致了波特曲線的上沖，分析應該是SOIC 封裝的芯片引腳寄生參數(shù)較大導致的；采用VQFN 封裝THS3491 的保護器在低于710 MHz 頻帶內(nèi)的平坦度約為0.3 dB，-3 dB 帶寬約為860 MHz。對比看到，采用VQFN 封裝THS3491 的保護器的波特圖全面占優(yōu)，是因為該封裝整體尺寸更小、引腳間距更近，寄生參數(shù)更小。圖5 所示為TI 公司提供的VQFN 封裝THS3491 的開發(fā)板的波特圖，開發(fā)板的信道增益約為-13.5 dB，在500 MHz 以下頻帶內(nèi)的平坦度約為0.6 dB，-3 dB 帶寬約為640 MHz。對比可以看到，自研的保護器的帶寬更高、帶內(nèi)平坦度更好。

圖3 自研示波器信道保護器波特圖（SOIC 封裝）

圖4 自研示波器信道保護器波特圖（VQFN 封裝）

圖5 TI 官方開發(fā)板波特圖（SOIC）

采用標準信號源和示波器實測VQFN THS3491 封裝的保護器的輸入輸出線性度，脈沖信號頻率100 kHz 的，脈寬5 μs，保護器的輸入輸出線性曲線如圖6 所示，放大1.25 倍，擬合優(yōu)度近似為1，可見在±10 V 輸出量程范圍內(nèi)整體線性度較好，滿足±10 V（50 Ω 負載）的輸出驅(qū)動。實 測VQFN 封 裝THS3491 的保護器在50 Ω 接 地時的空載噪聲，如 圖7 所 示，在2 μs 掃速、1 mV/div 擋位下，帶有保護器的示波器信道峰峰值約2 mV（下方深灰色），示波器50 Ω 空載本底噪聲峰峰值約1 mV（上方淺灰色）；對比兩個信道幅值，示波器顯示的幅值是所有采樣點幅值的平均值[16]，可以看到，帶有保護器的示波器信道和空載示波器信道的幅值相當，帶有保護器的示波器信道分散性更大。

圖6 自研保護器輸入輸出特性

圖7 電壓噪聲比較

采用delta 信號源和示波器實測SOIC 封裝、VQFN封裝的保護器的delta 響應，包括小信號delta 響應、大信號delta 響應，delta 信號的上升時間tr、下降時間tf約1 ns，脈寬小于2 ns，根據(jù)帶寬和上升時間tr的估算公式，delta信號的能量近似均勻分布在350 MHz 帶寬以下。如圖8所示，1 信道為直接進入示波器的對比信號，3 信道為保護器輸出進入到示波器信道的信號，delta 信號幅度約為600 mV，保護器的輸出信號和對比信號波形接近，實現(xiàn)了1:1 無失真跟隨輸出。如圖9 所示，delta 信號幅度約為5 V，保護器的輸出信號和對比信號波形接近，實現(xiàn)了1:1 無失真跟隨輸出。如圖10 所示，delta 信號幅度大于6 V 時，保護器的輸出信號和對比信號在幅值約5 V 處開始偏離，出現(xiàn)了峰移現(xiàn)象，峰時刻向后移動約0.5 ns。出現(xiàn)這個現(xiàn)象有兩個原因，一是THS3491 芯片本身的壓擺率有限，為8 000 V/μs，無法跟隨輸入信號的特快電壓變化；二是為了隔離需要，在輸出鏈路上串聯(lián)了一個12.5 Ω電阻，進一步降低了保護器對特快電壓變化的跟隨能力。根據(jù)文獻[3]中壓擺率計算公式，在輸出鏈路上串聯(lián)了一個12.5 Ω 電阻，針對50 Ω 負載，相當于把THS3491 的壓擺率降低到了6 400 V/μs（8 000 V/μs×12.5/（12.5+50））。已知delta 信號的上升時間tr約為1 ns，則其能夠無失真跟隨的delta 脈沖電壓幅值約為6 400 V/μs×1 ns=6.4 V，考慮到信號傳輸路徑上的損耗等因素，理論和實測波形符合較好，即輸出信號電壓幅度在6 V 時就會發(fā)生明顯的峰移現(xiàn)象。如果在保護器輸出鏈路上串聯(lián)了一個0 Ω電阻，那么保護器能夠無失真跟隨的delta 信號電壓幅值約為8 000 V/μs×1 ns=8 V，即保護器輸出信號電壓幅值高于8 V 才會出現(xiàn)峰移現(xiàn)象；隨著信號的上升時間tr的增加，保護器能夠無失真跟隨的信號電壓幅值也正比成倍增加。

圖8 600 mVδ脈沖信號響應

圖9 5Vδ脈沖信號響應

圖10 6Vδ 脈沖信號響應

delta 信號源輸出經(jīng)過長電纜傳輸后分路進入示波器信道和保護器，用以測試保護器的輸出保護功能和輸出恢復時間，得到波形如圖11 所示，1 信道為直接進入示波器的對比信號，2 信道為采用SOIC 封裝THS3491的保護器輸出進入到示波器的信號，3 信道為采用VQFN 封裝THS3491 的保護器輸出進入到示波器的信號?？梢钥吹?，VQFN 封裝的保護器跟隨效果較好，SOIC封裝的保護器恢復過程中的幅值震蕩較小，是因為受到SOIC 封裝的寄生參數(shù)影響。在輸出電壓約6 V 時，保護器的輸出波形不能無失真跟隨輸入波形，發(fā)生峰移現(xiàn)象；在輸入信號電壓幅值超過10 V 時，保護器進入到輸出保護狀態(tài)；當輸入信號電壓幅值下降到10 V 以下時，經(jīng)過約7 ns，保護器可以繼續(xù)無失真跟隨輸入電壓信號幅值，這個時間稱為保護器的輸出恢復時間。

圖11 保護器輸出恢復時間

3 結論

基于TI 公司VQFN 封裝的THS3491 芯片，研制寬帶全量程示波器信道保護器，經(jīng)過測試，保護器輸出電壓幅值范圍為±10 V，噪聲峰峰值約為2 mV；-3 dB 帶寬約為860 MHz，0.3 dB 平坦度帶寬約為710 MHz；可以實現(xiàn)對delta 信號（上升時間tr約1 ns，電壓幅值低于8 V）的無失真響應；在輸入信號電壓幅值超過10 V 時，保護器進入輸出保護狀態(tài)，輸出恢復時間約為7 ns，滿足了脈沖輻射場診斷中的示波器信道保護要求，現(xiàn)場應用也取得了很好的效果，既確保測試數(shù)據(jù)安全，又確保示波器信道物理安全。本文的結果可以應用到微弱信號的放大方面，對研究寬帶超低噪聲的模擬信號調(diào)理技術具有一定的借鑒意義。