Так что же, тайна раскрыта? Не совсем. Я сделал тестовый образец выходной линии передачи и измерил его характеристики. В перекрестной области с ростом частоты он показал потери всего 0.04 дБ, что намного меньше измеренного результата. Я снова переключил свое внимание на входную цепь. При моделировании конструкции не учитывалась паразитная емкость высокоомных резисторов. В некоторых случаях паразитные явления можно игнорировать, учтя их при выборе компенсирующего конденсатора. В других случаях, особенно для цепи Rα2 следующего раздела и для входного резистора смещения усилителя BUF802 (10 МОм, не показан на базовой схеме), частотная компенсация в схеме отсутствует. Для корпуса 0402 разумная оценка паразитной емкости, учитывающая контактные площадки и печатную плату, составляет 50–100 фФ. При таких сопротивлениях частота полюса будет находиться в середине перекрестной области. Включение этих значений в схему моделирования входной цепи дало почти точный пиковый отклик, наблюдаемый в щупе.
Чтобы уменьшить паразитную емкость, очевидным шагом является разделение высокоомного резистора на цепочку резисторов, включенных последовательно. Эффект от этого быстро снижается, поскольку за счет увеличения количества компонентов вносятся другие паразитные параметры. Чтобы увидеть, приведет ли это к практическому улучшению последних 3-4% плоской части характеристики в этой области, необходимо провести дополнительные испытания.
Обзор конструкции
 |
|
| Рисунок 12. | Высокоуровневая блок-схема конструкции щупа. |
На обзорной структурной блок-схеме активного щупа можно выделить три основных компонента (Рисунок 12). Входная цепь отвечает за пассивное ослабление и частотную компенсацию. Усилительный блок содержит усилители низкой и высокой частоты, которые работают вместе, обеспечивая ровную широкополосную характеристику отклика, и выходную согласующую цепь, включающую линию передачи к выходному разъему. В блоке питания для получения необходимого усилителю положительного и отрицательного постоянного напряжения используются зарядовый насос и сдвоенный LDO стабилизатор напряжения.
 |
|
| Рисунок 13. | Упрощенная схема входной цепи щупа. |
Микросхема BUF802 имеет широкую полосу пропускания, но плохую точность по постоянному току (типовое входное напряжение смещения 600 мВ), поэтому усилитель структурирован как композитный контур обратной связи, где сигнал разделяется входной цепью, а затем повторно объединяется внутри BUF802 (Рисунок 13). Постоянный ток и низкие частоты буферизуются операционным усилителем с низким смещением (OPA140), а высокие частоты буферизуются входным каскадом на полевых транзисторах усилителя BUF802. В течение некоторого периода нехватки микросхем в 2021–2023 годах усилитель OPA140 был дефицитом, и в ранних экспериментах по разработке я заменил его на ADA4625. В данной схеме оба усилителя работают хорошо, но OPA140 намного дешевле. Операционные усилители с полевыми транзисторами на входах здесь предпочтительнее из-за их низкого входного тока смещения, а также уровней шума и смещения, которые выгодно отличаются от биполярных усилителей. При конструировании печатной платы намеренно использован операционный усилитель в большом корпусе SOIC-8, поскольку это промышленный стандарт для одноканальных операционных усилителей, позволяющий легко находить замену. Полная принципиальная схема щупа показана на Рисунке 14.
 |
|
| Рисунок 14. | Полная принципиальная схема щупа. |
В обычном композитном контуре обратной связи низкочастотные и высокочастотные тракты объединены резистивно-емкостной цепью во входном узле буфера. BUF802 предоставляет возможность выполнить это объединение внутри себя, что обеспечивает лучшую изоляцию между сигнальными путями [7]. При отсутствии полюса, вносимого RC-цепью на выходе операционного усилителя, улучшаются запас по фазе и полоса пропускания замкнутого контура, а частота перехода смещается выше. Поскольку эта схема не совсем эквивалентна обычному композитному контуру, на базовой схеме я решил показать BUF802 как «буфер с двумя входами».
Во входной цепи резистор R1, подключенный к наконечнику щупа, устанавливает минимальный входной импеданс зонда и гасит резонанс, обусловленный входной емкостью щупа и индуктивностью земляного вывода. Очень важно, чтобы этот резистор был расположен как можно ближе к наконечнику щупа. Дополнительный демпфирующий резистор R2 позволяет точно настраивать полосу пропускания щупа и пиковый отклик. В последней ревизии платы я обнаружил, что он не приносит никакой пользы, и заменил его перемычкой, а в будущем, возможно, полностью удалю его из конструкции.
В основном сигнальном тракте используется частотно-компенсированный делитель напряжения. Как и в пассивном щупе, эта схема обладает полезными свойствами: ее передаточная функция остается плоской на всех частотах, а емкость BUF802 изолируется от входа пропорционально ослаблению делителя. Делитель 1.6 МОм и 400 кОм обеспечивает 5-кратное ослабление, а дополнительное 2-кратное ослабление вносит двойное согласование выхода, что в сумме дает целевое 10-кратное ослабление. Увеличение сопротивления R3 до 422 кОм компенсирует немного меньший, чем единица, коэффициент усиления BUF802 и улучшает плоскостность перекрестной области. Входная емкость микросхемы BUF802 равна 2.4 пФ, поэтому требуемая компенсирующая емкость для 5-кратного делителя составляет 2.4 пФ/4 = 0.6 пФ. Использование на плате щупа двух последовательно соединенных конденсаторов позволяет упростить настройку выходного уровня. Я обнаружил, что комбинация конденсаторов 1.1 пФ и 1.3 пФ обеспечивает почти точно –20 дБ на частоте 100 МГц. Также можно использовать подстроечные конденсаторы, но они физически больше и имеют худшие паразитные параметры. В более ранних версиях я использовал емкость самой печатной платы, образованную параллельными участками меди между первым и вторым слоями платы. Для такой емкости требуется лишь небольшой участок меди, верхний слой которой можно срезать с помощью канцелярского ножа, чтобы получить желаемое ослабление. Однако я обнаружил, что это выбивает из колеи (как только вы удаляете медь, ее больше нет!), а некоторые характеристики щупа показали, что диэлектрик печатной платы имеет гораздо большие потери, чем я предполагал, исходя из данных в техническом описании.
На пути прохождения сигнала к прецизионному усилителю компенсация не используется. Плоская входная характеристика здесь не нужна, поскольку этот путь сигнала используется только на низких частотах, и лучше изолировать как можно бóльшую часть входной емкости операционного усилителя. Дорожка печатной платы от наконечника щупа до операционного усилителя достаточно длинная, чтобы считаться линией передачи, поэтому на плате пробника имеется последовательный согласующий резистор на неинвертирующем входе (не показан). RC-фильтр между операционным усилителем и вспомогательным входом IN_AUX микросхемы BUF802 ослабляет сигнал и шум за пределами полезной полосы усилителя. Моделирование схемы показывает, что полоса пропускания OPA140 примерно на 30 кГц выходит за полосу при замкнутой обратной связи, поэтому с помощью фильтра 5.6 кОм + 100 пФ угловая частота устанавливается на одну декаду выше.
Сопротивления резисторов для цепей α и β были выбраны после нескольких итеративных проб и ошибок с учетом ряда ограничений:
- Сопротивление со стороны цепи α должно составлять 2 МОм, чтобы параллельное сопротивление обоих сигнальных путей было равно 1 МОм.
- Коэффициент усиления усилителя должен соответствовать усилению основного сигнального тракта, равному 1/5. Переменный резистор Rβ1 реализован с помощью постоянного резистора 10 кОм, включенного последовательно с подстроечным резистором 1 кОм.
- Для компенсации входной емкости CIN операционного усилителя добавляется конденсатор обратной связи, который уравновешивает полюса и нули передаточной функции системы. Требуемое значение емкости определяется из формулы
- Входное сопротивление цепи β должно быть достаточно высоким, чтобы не нарушить выходной импеданс 50 Ом. Резистор Rβ2 следует размещать как можно ближе к выходу BUF802, чтобы предотвратить отражения сигнала.
В большинстве высокочастотных схем земляной слой – ваш друг: он делает импеданс дорожек четко определенным и защищает схему как от излучаемых, так и от принимаемых помех. В данном случае он не поможет, поскольку добавляет шунтирующую емкость от площадок и дорожек входной цепи, поэтому под компонентами от наконечника до входного вывода BUF802 земляной слой отсутствует.
В источнике питания используется зарядовый насос LTC3261 для создания шины отрицательного напряжения, за которым следует двуполярный LDO стабилизатор TPS7A39. Биполярный выходной каскад BUF802 довольно прожорлив и в состоянии покоя потребляет около 40 мА, поэтому некоторые классические микросхемы зарядовых насосов, такие как 7660, здесь не подходят, если их не включать параллельно. Микросхема LTC3261 имеет более широкий диапазон входных напряжений и может отдавать ток 100 мА, что делает ее хорошим однокристальным решением.
Зарядовый насос – это тип импульсного преобразователя, в котором используются только конденсаторы, и, как правило, для него типичны высокие пульсации выходного напряжения. Остальные блоки платы должны иметь высокий коэффициент подавления пульсаций источника питания (power supply rejection ratio, PSRR), чтобы предотвратить попадание пульсаций напряжения на выход усилителя. Сделанная на коленке упрощенная оценка пикового уровня пульсаций напряжения на выходе зарядового насоса дает
или порядка 5 мВ. В этой формуле
IOUT – выходной ток зарядового насоса,
COUT – выходная емкость зарядового насоса,
fOSC – частота переключения зарядового насоса.
Вместе со значениями PSRR 50 дБ для отрицательного канала TPS7A39 и 40 дБ для BUF802, взятыми из соответствующих технических описаний, это составляет около 1 мкВ в пересчете к входу щупа. Это значительно ниже шумов напряжения, ожидаемых для BUF802 в полосе пропускания 2 ГГц.
Моделирование
Использование инструментов моделирования имело решающее значение при разработке щупа, и даже при этом мне пришлось несколько раза переделывать плату, чтобы получить нужный результат. Для проектирования контура прецизионного усилителя использовалось моделирование (LTspice) как при выборе компонентов входной цепи, так и при анализе устойчивости контура. Возможность LTspice моделировать произвольные передаточные функции Лапласа также оказалась полезной при проверке моей гипотезы о потерях в диэлектрике печатной платы.
Особенно сложно без моделирования учесть паразитные параметры входной цепи; здесь нет земляного слоя и много нерегулярной геометрии, которая будет меняться при реальном использовании. Чтобы определить характеристики этой линии передачи на основе физической геометрии, необходима программа расчета распределения поля, и openEMS является одним из немногих доступных и бесплатных электромагнитных симуляторов (Рисунок 15). Выходными данными моделирования в openEMS являются файлы в формате Touchstone, которые затем с помощью s2spice преобразуются в подсхему SPICE. Это может использоваться в SPICE-моделировании как компонент «черного ящика», заменяющий входную цепь. После тестирования многих возможных вариантов компоновки входной цепи в openEMS я был более уверен, что конструкция позволит достичь поставленных целей по входной емкости. Смоделированная и измеренная входная емкость демонстрируют разумное соответствие, а различия объясняются использованием упрощенной модели индуктивности земляного провода.
 |
|
| Рисунок 15. | Сравнение результата моделирования входного импеданса в openEMS с измерениями в прототипе. |
Симулятор openEMS использовался также для согласования выходной линии передачи. OSH Park не предлагает услуг изготовления проводников печатной платы с контролируемым импедансом, поэтому ширину дорожки, необходимой для получения линии 50 Ом, нужно выбирать самостоятельно. Толщина дорожки (1.7 мил) значительна по сравнению с диэлектриком (8 мил), и при комбинировании толстого металла и копланарных волноводных линий программа расчета распределения поля дает более точные результаты, чем простые калькуляторы (Рисунок 16). Настройка микрополосковых и копланарных волноводных линий – отличное нововведение в openEMS, поскольку геометрию легко выразить в коде, и ее можно многократно использовать в разных проектах.
 |
|
| Рисунок 16. | Визуализация поля выходной линии заземленного копланарного волновода в openEMS. |
Ссылки
- J. R. Kobbe and W. J. Polits. “Electrical probe,” U.S. Patent 2883619.
- ThunderScope
- 4 Layer Prototype Service
- Agilent Technologies. Side-by-Side Comparison of Agilent and Tektronix Probing Measurements on High-Speed Signals, Application Note 1491, January 2007.
- Tektronix. Probe Bandwidth Calculations, Technical Brief 60W-18324-0, November 2004.
- Keysight Technologies. Improving Usability and Performance in High-Bandwidth Active Oscilloscope Probes, Application Note 5988-8005, July 2014.
- Texas Instruments, Achieving high-DC Precision and Wide Large Signal Bandwidth with Hi-Z Buffers, Technical Article SSZT102, Jan. 2022.
Материалы по теме
- Datasheet Analog Devices ADA4625
- Datasheet Texas Instruments BUF802
- Datasheet Linear Technology LTC3261
- Datasheet Texas Instruments OPA140
- Datasheet Texas Instruments TPS7A39
- Datasheet Diodes BAT54
- Datasheet Vishay VLMTG1300
Купить BUF802 на РадиоЛоцман.Цены
