Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 放大/轉換
 
 
放大/轉換  

數位示波器的前端設計

上網時間: 2009年05月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ADC  示波器  雜訊 

對於需要量測從直流到非常高頻訊號的示波器來說,ADC是主宰示波器能力範圍以及影響其他週邊裝置選擇的主要元件,其中包括儀器的前端架構。ADC的選擇取決於很多因素,包括取樣頻率、雜訊等等。這類型資料收集系統與其他系統最大的不同之處在於示波器可以清楚地量測訊號路徑上的受測波形,包含寬頻交流電訊號以及直流電成份。為了加強設計的成效,本文將從效能、設計的簡易度以及成本(包括校準與維護)這三方面去比較不同類型的數位示波器前端解決方案,以供設計人員參考。圖1為典型的取樣示波器架構圖。

圖1:示波器架構圖(本架構圖是由安捷倫科技提供的混合訊號示波器)。
圖1:示波器架構圖(本架構圖是由安捷倫科技提供的混合訊號示波器)。

前置放大器必須具備足夠的增益才能夠讓示波器的最高增益設定(通常為1mV/div)產生全規模(Full Scale;FS)的輸入到ADC。因為示波器寬廣的輸入電壓範圍,設計人員必須採用高頻前置衰減器來配合最低增益(通常為10V/div)的條件。前置衰減器的設計不應限制頻率回應,比較常見的解決方法是採用高速開關/繼電器,它可以為速度及雜訊下降作出頻率補償。然而,在整個動態範圍內(尤其大於80dB的範圍)使用衰減器並不符合成本效益,因此,一般會使用前置放大器作為可變增益元件,搭配少量的前端衰減器一起運用以便實現輸入電壓範圍。

美國國家半導體的LMH6518是這類前置放大器的一個範例,它具備低雜訊以及可變增益的特色,LMH6518前置放大器可以完美地搭配美國國家半導體的每秒10億取樣(GSPS)ADC一起使用,其取樣率範圍可在8位元解析度下達到500MH到3GHz。圖2為LMH6518的應用電路圖。

圖2:LMH6518與美國國家半導體的高速類比/數位轉換器搭配使用。
圖2:LMH6518與美國國家半導體的高速類比/數位轉換器搭配使用。

由於LMH6518可提供40dB的增益調節,因此可將涵蓋整個電壓範圍所需的衰減器數量減少至兩個。於0.98nV/RtHz的輸入參考雜訊下,LMH6518可為範圍大於24mV/div的示波器提供200MHz頻寬的52dB訊號/雜訊比,以達到高品質的掃描寬度顯示。誤差範圍為+/-0.05%的14ns快速穩定時間以及低於5ns的超載恢復時間確保示波器可對快速的變化進行精確的時域測量,即使超出螢幕可視範圍以外。LMH6518於任何增益水準下皆可達到900MHz頻寬,以便配合高達500MHz頻寬示波器的使用。此外,諸如穩定時間、過載恢復及頻率回應等等示波器最重要的相關參數,都不會受到前置放大器增益設定的影響,將測量的臆測降到最低。

所有LMH6518的功能均經由一個SPI-1相容匯流排控制。此外,在SPI-1控制下,LMH6518擁有6個內建低通道濾波器(從20MHz到750MHz)。我們可以利用永久設定雜訊過濾或低通道濾波器作為示波器型號的一種區別。額外的功能還包括一個輔助輸出,它是主要訊號輸出路徑的複製,可以在主要路徑無任何的負載效應下與ADC一起驅動觸發電路,如此便不會對量測輸入構成任何干擾。若有需要時,可以將不同的輔助輸出設定成單一端點,方法是將未使用的輸出終止,也就是只使用兩個訊號的其中之一。

圖2中LMH6518前置放大器與ADC的組合,提供了ADC全規模最佳化的獨特優點。於級距為2dB的條件下,LMH6518的增益級距與ADC的9位元全規模調節範圍搭配以達到8.5mdB的增益解析度。如此一來,便可於任何的增益設定下使用整個ADC的動態範圍,以便將有效位元數(ENOB)的效能提升到最高。對於那些採用1.8V電源技術製程的低功耗ADC來說,由於其電源電壓及全規模範圍較低,這優點便更形重要。這裡所指的LMH6518前置放大器與ADC組合的獨特優點為ADC經由VCM輸入去控制前置放大器共模輸出電壓的能力,使得前置放大器的差動輸出永遠精確地處於正確的電壓上,以便使用大部分ADC類比輸入範圍的線性部分。

如果ADC輸入已被交流耦合(就如測量儀器以外的一些應用),這時便不再需要提供VCM前置放大器輸入,而ADC可經由一個簡單的電阻進行偏壓以達到ADC預先設定的適當偏壓。然而,示波器應用的本質為直流耦合,因此共模控制迴路必須內建於LMH6518中。除此之外,LMH6518的輸出共模電壓範圍、差動輸出擺幅、過壓保護以及負載驅動能力都經過最佳化,可以與美國國家半導體的GSPS級類比/數位轉換器搭配使用。

因此,訊號路徑元件等級的設計以及架構的決定都可被大幅簡化到很容易達成的程度。輔助輸出具備獨立的共模控制迴路,使得觸發電路可控制其所需的共模電壓。

LMH6518的輸入為差動式。但是,大部分應用均習慣將兩個輸入的其中之一偏壓到中間電源供應電壓並且伺服控制另一個輸入(包括來源訊號),使得兩個輸入都處於中間電源供應電壓。圖2中的接面場效應電晶體低雜訊放大器(JFET Lo Noise Amp)區塊除了展示示波器探針於‘Scope Input’的標準輸入阻抗(M? || 10pF)外,還將該伺服作用整合其中。圖3為此方塊的詳細電路圖。

圖3:接面場效應電晶體低雜訊放大器+輸入伺服機制+偏移控制。
圖3:接面場效應電晶體低雜訊放大器+輸入伺服機制+偏移控制。

配合J10閘道以表示高阻抗節點,R21+R14形成1M?的輸入阻抗及C6與J10的寄生電容並列以形成一個10pF分流。該阻抗是示波器探針所預期的數值,如此從探針尖端到示波器輸入的轉換函數便可達到寬頻級的10:1。主訊號路徑經過由源極跟隨器設定的J10以及發射跟隨器Q0,而R6及R9則將LMH6518的未驅動輸入偏壓到Vcc/2,同時UI會比較驅動輸入的電位並調節J10閘道驅動電壓以維持平衡狀態。

如此一來,便可消除因為溫度以及時效所造成的LMH6518輸入偏移,U1的回應被限制於2Hz頻帶或以下,並且可以變更R2的數值以使其配合2Hz以下或以上的增益。JFET緩衝器另一個非常重要的特色在於擁有足夠低的雜訊,因此對於整體訊號路徑上的雜訊比影響非常小,可以忽略。JFET緩衝器的快速頻率回應可以達到整體訊號路徑在500MHz時只有-3dB的頻寬,而偏移控制數位/類比轉換器‘Offset Control DAC’則為一個直流輸入,以便能像一般示波器於控制面板上進行偏移調節。

LMH6518的增益解析度於任何增益設定下皆為固定的8.5mdB。LMH6518還具備內部濾波器及獨立的觸發訊號輸出的額外功能,這項功能一般都保留給ASIC或客製化晶片使用。主要為美國國家半導體GSPSADC或類似裝置開發的LMH6518不僅可縮短設計週期,而且可避免重新佈置電路板的花費並加快產品的上市時間。

作者:Hooman Hashemi

應用工程師

美國國家半導體





投票數:   加入我的最愛
我來評論 - 數位示波器的前端設計
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首