陳　松，榮　軍，尹世強（湖南理工學院信息與通信工程學院，湖南岳陽414006）

簡易數(shù)字控制高速差分探頭設(shè)計*

陳松，榮軍*，尹世強
（湖南理工學院信息與通信工程學院，湖南岳陽414006）

設(shè)計了有源高速差分示波器探頭，實現(xiàn)了差分輸入、單端輸出功能。該差分探頭的設(shè)計采用可控增益芯片VCA822，實現(xiàn)了雙端信號轉(zhuǎn)單端信號以及差分探頭1倍和10倍檔的設(shè)置功能。差模信號源的設(shè)計采用了高速和低噪聲全差分運算放大器LMH6550，實現(xiàn)了完全對稱的差模信號源輸出且共模電壓可調(diào)功能。測量實驗證明了本設(shè)計系統(tǒng)穩(wěn)定且差分探頭具有高共模抑制比，探頭在DC～20MHz頻帶內(nèi)的增益起伏不大于1 dB，完全滿足一般高校電工電子實驗要求。

數(shù)字控制；差分信號；差分探頭；差模信號源

探頭是示波器測量信號不可缺少的附件，測試信號時所選用探頭的類型、與示波器匹配與否對示波器的測量的質(zhì)量至關(guān)重要。目前最為常用的探頭為無源高阻探頭，這類探頭盡管價格低且簡單輕巧，但它的容性效應(yīng)較明顯、測量帶寬頻段低、抗干擾能力差，因此應(yīng)用場合也受到了相應(yīng)的限制。而差分探頭具有較高的頻率帶寬、輸入電容非常低的特點，尤其是具有很高的共模抑制比，因此非常適合測試高速差分信號［1-4］。高速差分探頭在高頻信號測量、小信號測量以及電磁干擾環(huán)境測量的應(yīng)用已相當普遍，盡管目前市場上生產(chǎn)差分探頭的廠商很多，但其性能指標不盡相同，甚至相差較遠。加上使用者對差分探頭的了解不夠，有可能導致被測信號未能正確、保真地傳到示波器，得到非真實的波形。針對此缺點，本文設(shè)計了一款測量精確、性價比高以及簡單易用的高速差分探頭。

1　系統(tǒng)實現(xiàn)及理論分析

本文設(shè)計并制作一個有源高速差分示波器探頭，它能夠?qū)崿F(xiàn)差分輸入以及單端輸出功能，并且制作了一個測試差分探頭的差模信號源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計要求，可畫出系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖2所示。差模信號源部分，單端從IN（同圖1中的Vin）輸入經(jīng)過全差分運放后得到相位差為180°的兩路信號OUT+和OUT-（同圖1中的VA、VB）。這兩路信號即為測試差分探頭所需的差模信號，在差分探頭部分，差模信號經(jīng)過阻抗匹配級后經(jīng)過程控衰減器后即得到單端信號經(jīng)過固定增益放大器輸出的OUT信號（同圖1中的VE）即為傳輸給示波器的信號。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖

圖2　系統(tǒng)設(shè)計原理框圖

2　理論計算與分析

2.1差模信號和共模信號分析

差分式結(jié)構(gòu)電路如圖3所示［5］，T1、T2是BJT器件，由圖3可以看到有兩種電流信號，一種是從I1端到I2端的差模輸入電流信號iid，另一種是從兩管的I1和I2端流入電流源的共模輸入電流信號iic。

圖3　差分式結(jié)構(gòu)電路

實際上，電流信號是由輸入電壓信號產(chǎn)生的，因此差模信號的共模信號一般是用電壓信號來描述的。輸入電壓Vi1和Vi2之差稱為差模電壓，用式（1）來定義：

同理，兩輸入電壓Vi1和Vi2的算數(shù)平均值稱為共模電壓，定義為：

當用差模和共模電壓表示兩輸入電壓時，由式（1）和式（2）聯(lián)立可得：

由上面兩式可知，兩輸入端的共模信號iic的大小相等，而極性是相同的，而兩輸入端的差模電壓+Vid/2和-Vid/2的大小相等而極性則是相反的。T1、T2加入信號電壓Vi1和Vi2產(chǎn)生的差模輸入電流和共模輸入電流與圖3所表示的流向一致。

類似地，對于兩管的差模輸出電壓和共模輸出電壓由式（5）和式（6）所示：

式中單管的輸出電壓分別為：

通常，要求設(shè)計出這樣一種放大器，當它放大差模電壓信號時就有較高的電壓增益，而對于共模電壓信號則顯現(xiàn)出低得多的電壓增益。在差模信號和共模信號同時存在的情況下，對于線性放大電路來說，可借助疊加原理來求出總的輸出電壓，即：

式中Aυd=Vod/Vid為差模電壓增益；Aυc=Voc/Vic為共模電壓增益。

2.2差分探頭技術(shù)指標理論

2.2.1共模抑制比

共模抑制比定義為差模信號增益Adm與共模信號增益Acm之比的絕對值。共模抑制比直接體現(xiàn)了差動放大電路中對共模信號的抑制能力，差模電壓與共模電壓的示意圖如圖4所示［6］。

圖4　差模電壓與共模電壓示意圖

由圖4可知，差模電壓Vdm由差模放大器兩輸入端電壓值相減而得，其增益用Adm表示；共模電壓Vcm用差模放大器兩端的電壓平均值來表示，其增益用Acm表示。共模抑制比計算公式如式（9）。

從式（9）來看，在理想情況下如果共模增益Acm值為0，則共模抑制比KCMRR趨于無窮大，但現(xiàn)實情況下差動電路對信號處理不可能做到完全對稱。所以無法得到共模抑制比為無窮大的理想電路。在實際應(yīng)用中，差模增益越大，而共模增益越小，則共模抑制比越大，說明放大器抑制共模信號的效果越好。

差分探頭的實際實現(xiàn)方案并不能抑制所有共模信號，些許共模信號的誤差信號可能混雜在差分信號中難以去除掉。共模抑制能力也會隨輸入頻率升高而降低。

差分探頭在實際使用過程中，其共模抑制比會隨著不同的測量環(huán)境而改變，比如電路的對稱性、被測信號頻率不同、探頭與示波器的匹配等。我們知道探頭共模抑制能力越強越好，平常的差分探頭共模抑制比一般在60 dB～80 dB左右，甚至可達120 dB。但被測信號頻率的增大會導致共模抑制比逐漸變小。因為信號邊沿會隨著信號頻率的增大而在跳變時產(chǎn)生偏差，從而增加了共模電壓成分，示意圖如圖5所示。

圖5　高頻信號導致共模電壓增加

共模抑制比是衡量差分探頭的一個非常重要指標，如果差分探頭的共模抑制比未達到所需指標，共模電壓將會疊加到差分電壓上，從而造成測量上的誤差。

2.2.2差分探頭帶寬分析

在考慮測量帶寬問題時應(yīng)衡量示波器與探頭的帶寬指標組合，應(yīng)同時滿足需求，這里只討論探頭的帶寬問題。

探頭的帶寬決定了探頭的使用頻段。探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)導致輸出幅度下降到70.7%（-3 dB）的頻率，如圖6所示。探頭的帶寬在很多場合影響到信號的精確測量。因此在測量信號時，要根據(jù)信號的帶寬需求來選擇示波器和探頭。當測量信號逐漸接近探頭帶寬上限，信號幅度會逐漸衰減。當測量的信號接近帶寬上限時，測得的幅度約為實際信號幅度的70.7%。所以，在進行信號測量時應(yīng)注意，選用帶寬指標比實際測量信號最高頻率高幾倍的探頭。

圖6　帶寬響應(yīng)曲線圖

在測量波形的上升時間和下降時間時也同樣注意探頭的帶寬問題。比如測量方波沿變時間，由于方波是比它自身頻率高很多的正弦波組成的。帶寬限制使這些高頻成分產(chǎn)生了衰減，以至于測得波形沿變慢于實際沿邊時間。因此為了精確測量波形的沿變時間，使用的探頭必須遠高于實際被測信號的最高頻率，以保證組成被測信號的最高頻率未被衰減。通常情況下，測量信號沿變時間時，探頭測量沿變能力應(yīng)為被測量信號沿變時間的4倍～5倍。

3　系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1單端轉(zhuǎn)雙端放大器設(shè)計

根據(jù)題目設(shè)計要求自制一個差模信號源，實現(xiàn)單端輸入轉(zhuǎn)換為差模信號輸出；采用TI公司的高速全差分運算放大器LMH6550能很好的完成題目設(shè)計要求，同時滿足通頻帶和頻帶內(nèi)平坦度指標。采用一級全差分運算放大器LMH6550實現(xiàn)單端信號輸入雙端輸出。

使用全差分運放LMH6550實現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分放大器，其原理如圖7所示。

圖7　LM H 6550典型應(yīng)用圖

其中：

根據(jù)題目要求自制一個差模信號源，為了使差模信號穩(wěn)定輸出，采用高速全差分運放做差模信號源。設(shè)計電路原理圖如圖8所示，其中R2、R6和R7實現(xiàn)阻抗匹配，R13可調(diào)節(jié)共模電壓。輸入端口通過50Ω的同軸電纜連接，以防電路產(chǎn)生自激震蕩，電阻、電容采用表貼封裝，以盡量縮短布線長度。同時，確保50Ω的阻抗匹配以盡量減小干擾［7］。

圖8　差分信號源原理圖

3.2差分探頭電路設(shè)計

3.2.1頻帶內(nèi)增益起伏控制

對于頻帶內(nèi)增益起伏的控制，通過兩種方法共同作用來保證帶內(nèi)增益平坦。首先，使用增益平坦度較高的放大器來進行級聯(lián)設(shè)計，所選放大器均具有遠高于題目要求的增益平坦帶寬，從而可以保證放大器的帶內(nèi)增益平坦。

其次，在放大器級間插入阻容元件，對放大器進行匹配，從而優(yōu)化放大器的傳輸參數(shù)，同時減少電路分布參數(shù)對放大器的幅頻特性影響。

3.2.2增益調(diào)整

電壓增益調(diào)整是本設(shè)計需要完成的重要設(shè)計指標之一，根據(jù)題目要求增益具備×1倍、×10倍兩檔可調(diào)，為使系統(tǒng)發(fā)揮穩(wěn)定可靠，選用TI公司的可控增益放大器實現(xiàn)此功能。增益調(diào)節(jié)由衰減器程控衰減與可變增益放大器VCA822配合完成。其中，可控衰減器具備20 dB的衰減能力，VCA822具有接近40 dB的增益控制范圍，從而實現(xiàn)了×1倍、×10倍檔設(shè)定。增益控制由放大器VCA822，通過改變輸入控制電壓的值進行增益調(diào)整。增益調(diào)整由式（10）確定：

式（10）通過改變增益控制電壓的幅度，即可實現(xiàn)增益的精確調(diào)整。

3.2.3阻抗匹配處理

由于本系統(tǒng)最終實現(xiàn)100 MHz帶寬，故而需對級間進行阻抗匹配，以減小反射，降低駐波比，從而提升增益平坦度。阻抗匹配主要用于降低駐波系數(shù)，故對長線進行輸入輸出匹配，而對于短線，則不必進行匹配從而犧牲總增益。進行阻抗匹配可以分為電阻匹配和電抗匹配，也就是一般所說的復(fù)阻抗匹配，也稱為共軛匹配。通過串聯(lián)或并聯(lián)電感或電容可將復(fù)阻抗變?yōu)閷嶋H阻抗（電阻或電導）。

3.2.4差分探頭電路

為保證各芯片間電源不會相互干擾，采用板上二次穩(wěn)壓的方法對每個高速芯片進行電源處理。除此之外，二次穩(wěn)壓后的電源在芯片進線端，進行去耦，保證電源干凈穩(wěn)定，從而提升電路性能。

差分探頭主要由專用壓控增益芯片VCA822組成，最大增益為 100倍，在本設(shè)計中，R12為1 kΩ，R11為 200Ω，設(shè)置其最大放大倍數(shù)為 10倍，正好滿足題目要求的增益為10倍，其電路圖如圖9所示［8-10］。

圖9　差分探頭電路圖

4　實驗結(jié)果及分析

設(shè)計技術(shù)指標：（1）自制一個用于測試差分探頭的差模信號源，實現(xiàn)將單端信號Vin轉(zhuǎn)換為差模信號輸出（VA和VB），單端信號Vin為正弦波，頻率范圍為DC～20 MHz，振幅為100mV～2 V；（2）設(shè)計一個簡易差分探頭，其中輸入信號VC、VD對地電壓范圍為±4 V；（VC-VD）的最大輸入范圍為±4 V；（3）設(shè)定差分探頭的增益為10，測得的1 dB起伏帶寬范圍內(nèi)測量差分探頭的共模抑制比，要求在DC～1MHz的共模抑制比不小于40 dB，1MHz～20MHz的共模抑制比不小于32 dB。

4.1差模信號源測試

測試方法：差模信號源輸入動態(tài)范圍：0V～10 V，增益：2，帶寬：DC～20MHz。將信號源輸入接任意波形發(fā)生器，輸出接示波器雙蹤探頭。測試數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出差模信號源的放大倍數(shù)為2倍，且輸出直流分量在正負2V之間可手動調(diào)節(jié)。

表1　差模信號源測試表格

4.2差分探頭帶寬測試

測試方法：將差分探頭增益設(shè)置為10倍，用函數(shù)信號發(fā)生器從輸入端輸入400mV（峰值電壓）的正弦波，頻率從1 kHz～30MHz變化，用示波器測試VE電壓值，測試數(shù)據(jù)如表2所示。從表2可以看出差分探頭的1 dB帶寬大于30MHz，超出指標設(shè)計要求。

表2　帶寬測試結(jié)果

4.3差分探頭增益平坦度測試

測試方法：探頭增益設(shè)為10，輸入信號幅度200mV，用自制差模信號源做輸入，測試差分探頭增益平坦度（事先記錄差模信號源增益平坦度），測試數(shù)據(jù)如表3所示。從表3可以看出輸入頻率從1MHz到100MHz時，輸出誤差最大為2.2%。

表3　增益平坦度測試結(jié)果

5　結(jié)論

設(shè)計了差模信號源與高速差分探頭，該探頭是示波器的重要組成部分。設(shè)計的差模信號源選用的核心器件為TI公司的低噪聲、高速全差分運算放大器LMH6550，實現(xiàn)了單端信號輸入轉(zhuǎn)換為差模信號輸出、共模電壓可手動調(diào)節(jié)功能；同時也可滿足通頻帶和頻帶內(nèi)平坦度指標，差模信號源經(jīng)測試完全達到了設(shè)計要求。另外，有源差分探頭設(shè)計采用了可控增益放大器VCA822，通過改變增益控制電壓的幅度，實現(xiàn)了1倍和10倍增益的精確調(diào)控，并可通過按鍵手動該放大倍數(shù)；有源高速差分探頭結(jié)合自制的差模信號源，經(jīng)測試其共模抑制比在DC～1MHz范圍內(nèi)達到了40 dB以上，完全滿足了作品設(shè)計要求。由于設(shè)計最終實現(xiàn)100MHz帶寬，故而需對級間進行阻抗匹配，以減小反射，降低駐波比，從而提升增益平坦度。阻抗匹配主要用于降低駐波系數(shù)，故對長線進行輸入輸出匹配，而對于短線，則不必進行匹配從而犧牲總增益。為提高整個系統(tǒng)的性能，在電源方面也做了相應(yīng)的處理，為保證各芯片間電源不會相互干擾，采用板上二次穩(wěn)壓的方法對每個高速芯片進行電源處理。除此之外，穩(wěn)壓后的電源在芯片進線端，進行π網(wǎng)去耦，保證了電源干凈穩(wěn)定，從而提升電路性能。本文設(shè)計的高速差分探頭電路非常簡潔，性價比非常高，在信號測量場合有很大的應(yīng)用前景。

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陳松（1973-），男，漢族，湖南平江人，碩士，湖南理工學院信息與通信工程學院講師，主要從事學生課外科技活動和組織工作，296063370@qq.com；

榮軍（1978-），男，漢族，湖南岳陽人，碩士，湖南理工學院信息與通信工程學院講師，主要從事學生開關(guān)電源和電機控制方面的教學和科研工作，rj1219@163.com。

Design of Simple Digital Control High-Speed Differential Probe*

CHEN Song，RONG Jun*，YIN Shiqiang
（Department of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Scienceand Technology，Yueyang Hunan 414006，China）

An active high speed differential oscilloscope probe is designed，and realizes the function of differential inputand single output.The differential probe uses a controlled gain chip VCA822，and it can turn double end signal to single end signal，and it can also realize the setting function ofone time and ten times.The design of differentialmode signal source uses high-speed and low-noise total differential operational amplifier LMH6550，and realizes signal source outputof fully symmetrical differentialmode and adjustable function of commonmode voltage.The measurement results show that the design system is stable and the differential probe has high commonmode rejection ratio，and its gain fluctuation in DC～20 MHz band is less than 1 dB，so it fullymeets the general requirements ofelectricaland electronic experiments in Collegesand universities.

digital control；differentialsignal；differentialprobe；differentialsignalsource

TM 46

A

1005-9490（2016）04-0940-06

項目來源：“電子信息工程”本科專業(yè)綜合改革國家級試點專業(yè)項目（教高司函［2013］56號）；電子信息與通信技術(shù)國家級實驗教學示范中心項目（教高函［2013］10號）

2015-08-15修改日期：2015-10-15

EEACC:129010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.036