数字荧光示波器1GHz前置放大器的设计

　　0 引言

　　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1 个新的平台。随后又不断推出更宽带宽、更高采样率、更快波形捕获率的数字荧光示波器， 同时安捷伦和力科公司也相继推出功能强大的数字荧光示波器系列产品。最近江苏绿扬电子仪器集团公司在国内率先推出了LDP60000系列数字荧光示波器。该系列产品最高带宽为1 GHz, 最高实时采样率为5 Gsa/ s, 最高波形捕获率为250 000 wfm/ s。

　　前置放大器芯片采用了砷化镓快膜封装的高新技术， 使产品的模拟带宽、采样率、底噪声， 触发抖动、波形刷新率都获得了新的突破。通道带宽特性是示波器的第1 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。

　　1 系统设计

　　1. 1 系统总体设计方案

　　整个前置放大器由4 个部分组成。高阻程控衰减器、阻抗变换器、低阻步进程控衰减器、高速差分放大器。前置放大器的原理框图如图1 所示。

图1 前置放大器

　　输入信号首先经过50Ω 、1 MΩ 的选择， 当选择50时， 信号经过射频继电器， 直接进入到低阻程控衰减器， 当选择1 MΩ时， 信号经过阻抗变换电路， 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程控衰减器， 完成增益调节。通过高速运算放大器完成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5 mV/ div 为基准档， ADC芯片输入满度信号为500 mVp-p, 则要求通道的总增益为22 dB, 由于前置放大器插入许多示波器功能， 需两级20 dB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1 MΩ输入， 从而保护了后面的有源器件， 不过压就跳回低阻50 Ω输入。

　　1. 2 阻抗变换电路的设计

　　阻抗变换电路如图2 所示。

图2 阻抗变换电路

　　当示波器设置为高阻1 M 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50Ω 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尽量短， 以使分布参数最小， 高阻器件的下面的大面积地层或电源布线层必须要挖空， 以减小分布电容。