摘要： 系統通過采用高速差分運算放大器、程控衰減陣列模塊、射頻雙向模擬開關等芯片相結合的方式， 實現了低阻50Ω 帶寬1 GH z( - 3 dB) , 高阻1 MΩ帶寬500 M ( - 3 dB ) 并實現了2 mV/ div~ 5 V/ div 衰減量程， 系統還實現了自動量程控制， 直流電平自動位移調零控制， 最大限度降低了整個系統的失真和漂移， 經國家檢測中心測試， 主要技術指標達到國外同類產品先進水平。

　　引言

　　近年來， 國外數字示波器飛速發展， 中高端數字示波器市場基本被美國泰克、安捷倫、力科公司占有， 美國泰克公司在21 世紀初首先推出數字熒光示波器， 將數字示波器發展推向1 個新的平臺。前置放大器芯片采用了砷化鎵快膜封裝的高新技術， 使產品的模擬帶寬、采樣率、底噪聲， 觸發抖動、波形刷新率都獲得了新的突破。通道帶寬特性是示波器的第1 指標， 對寬帶示波器來說， 通道帶寬的設計是非常重要的工作， 它是高速數據采集電路的基礎， 也是示波器檔次劃分的重要依據。

　　1 系統設計

　　1. 1 系統總體設計方案

　　整個前置放大器由4 個部分組成。高阻程控衰減器、阻抗變換器、低阻步進程控衰減器、高速差分放大器。前置放大器的原理框圖如圖1 所示。

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　　圖1 前置放大器

　　輸入信號首先經過50Ω 、1 MΩ 的選擇， 當選擇50時， 信號經過射頻繼電器， 直接進入到低阻程控衰減器， 當選擇1 MΩ時， 信號經過阻抗變換電路， 由高阻輸入轉換為低阻輸出， 再經過射頻雙向選擇開關進入低阻程控衰減器， 完成增益調節。通過高速運算放大器完成單端信號變差分和電平轉換的任務。為后續的ADC 電路提供驅動， 并為觸發電路輸送高速的觸發信號。以5 mV/ div 為基準檔， ADC芯片輸入滿度信號為500 mVp-p, 則要求通道的總增益為22 dB, 由于前置放大器插入許多示波器功能， 需兩級20 dB增益高速差分放大器組成。當低阻50Ω 輸入信號產生過壓時， 過壓檢測裝置輸出將射頻繼電器轉換為1 MΩ輸入， 從而保護了后面的有源器件， 不過壓就跳回低阻50 Ω輸入。

　　1. 2 阻抗變換電路的設計

　　阻抗變換電路如圖2 所示。

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　　圖2 阻抗變換電路

　　當示波器設置為高阻1 M 時， 輸入信號經過高阻衰減器分為兩路： 一路是高頻信號， 經過電容C1 直接耦合到FET 高阻輸入放大器IC2; 另一路低頻信號成分經過R1、R2 組成的電阻分壓器加到運算放大器的同向輸入端，IC1 輸出的低頻信號經過的R4, 在IC2 的輸入端與高頻信號成分合成， 合成后的信號經過阻抗變換為低阻50Ω 輸出， 反饋電容C3 的加入， 使合成的信號具有平坦的頻率特性， R5 為阻抗變換器提供直流負反饋通路， 保證了整個電路具有良好的直流特性和溫度漂移的穩定性， 在阻抗變換電路中， PCB 的布局布線對高頻電路的性能影響很大， 特別是高阻輸入端口的器件必須引線盡量短， 以使分布參數最小， 高阻器件的下面的大面積地層或電源布線層必須要挖空， 以減小分布電容。

　　1. 3 高阻衰減器設計

　　高阻衰減器采用分壓式結構， 如圖3 所示。

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　　圖3 高阻衰減器

　　K1 繼電器導通時， 信號不經過衰減， 直通下一級電路，由于是高阻抗輸入， 所以對繼電器開關要求很高， 繼電器各端口的分布電容要盡量小， 分壓器所用的元器件體積要盡量小， 但所承受的功率又要滿足測量的要求。高阻衰減器要在500 M 帶寬內獲得平坦的頻率特性也有很大的難度，分壓器的各個元器件之間包括每個元器件的分布參數在內， 他們的取值關系應符合下式： R1/ (R1+ R2 ) = C1 / (C1 +C2 ) , C2 為可調補償電容， 用于補償元件參數和PCB 板工藝參數非一致性產生的分布電容偏差， R3 是用于抑制引線電感引起的阻尼和過沖。