李海濤 ，李斌康 ，2，陳彥麗 ，田 耕 ，2，趙 前 ，阮林波 ，2

（1.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024；2.強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024）

0 引言

在強(qiáng)脈沖輻射場(chǎng)信號(hào)測(cè)量時(shí)，待測(cè)脈沖信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)試時(shí)需要兼顧大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量和波形細(xì)節(jié)測(cè)量，一般采用示波器信道量程搭接的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-2]。常用示波器垂直分辨率有限（8 bit 或者12 bit，2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)），在進(jìn)行信道量程搭接測(cè)量時(shí)（50 Ω 負(fù)載），每個(gè)信道受到的脈沖信號(hào)的沖擊是一致的，對(duì)高靈敏度信道而言，高強(qiáng)度的脈沖信號(hào)沖擊可能會(huì)造成示波器信道性能超差、損壞，甚至導(dǎo)致示波器測(cè)量數(shù)據(jù)丟失。因此，在進(jìn)行脈沖輻射場(chǎng)信號(hào)測(cè)量時(shí)，需要對(duì)示波器信道進(jìn)行保護(hù)，防止出現(xiàn)信道損壞、數(shù)據(jù)丟失等后果。

一直以來(lái)，研制性能優(yōu)良的示波器信道保護(hù)器是一個(gè)迫切需求[3-4]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入脈沖信號(hào)的無(wú)失真輸出和對(duì)示波器信道的保護(hù)功能，保護(hù)器應(yīng)該具備以下的功能：（1）輸入輸出線性度高、無(wú)失真，輸出信號(hào)低噪聲，確保脈沖信號(hào)在傳輸鏈路上不引入額外干擾、性能不降低，確保輸出信號(hào)對(duì)示波器量程全覆蓋（50 Ω 負(fù)載）。（2）具有輸出飽和能力，即在輸入信號(hào)超過(guò)一定幅度時(shí)，輸入阻抗保持不變，輸出信號(hào)幅值飽和，且該幅值處于示波器信道的可承受的幅值范圍之內(nèi)。（3）具有優(yōu)良的delta 響應(yīng)，對(duì)大擺率的delta 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)失真跟隨輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)大幅度信號(hào)的寬帶無(wú)失真響應(yīng)。（4）具有快恢復(fù)能力，當(dāng)脈沖信號(hào)幅值下降到示波器的可測(cè)幅值范圍內(nèi)時(shí)，保護(hù)器需要及時(shí)從保護(hù)狀態(tài)恢復(fù)至正常工作狀態(tài)，確保在量程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的無(wú)失真跟隨等。

保護(hù)器的核心是模擬信號(hào)調(diào)理鏈路，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入脈沖信號(hào)的寬帶全量程、低噪聲、無(wú)失真輸出和對(duì)示波器信道的實(shí)時(shí)保護(hù)等功能。文獻(xiàn)[5]提出的一種通用示波器信道保護(hù)器，采用1 片TI 公司的THS3201 作為核心運(yùn)算放大器芯片，輸出電壓幅度范圍為±3 V（50 Ω 負(fù)載），-3 dB 帶寬約為750 MHz，該保護(hù)器不能無(wú)失真輸出3 V以上的脈沖信號(hào)，對(duì)delta 信號(hào)的響應(yīng)不夠及時(shí)準(zhǔn)確；文獻(xiàn)[3]使用2 片TI 公司的THS3091 運(yùn)算放大器芯片，基于負(fù)載共享技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)了對(duì)示波器信道的全量程保護(hù)功能，但是，雙運(yùn)放之間的不均衡導(dǎo)致該型保護(hù)器的-3 dB 帶寬約為200 MHz，帶內(nèi)平坦度較差，對(duì)delta信號(hào)的響應(yīng)不夠及時(shí)準(zhǔn)確。

1 設(shè)計(jì)研制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器的寬帶全量程保護(hù)（50 Ω 負(fù)載）、對(duì)delta 信號(hào)的無(wú)失真響應(yīng)的功能，需要選取高輸出驅(qū)動(dòng)電流、高帶寬、高線性的運(yùn)算放大器芯片。本文選用了TI 公司推出的THS3491 運(yùn)算放大器芯片，設(shè)計(jì)了寬帶全量程的保護(hù)器[6]，如圖1 所示。

圖1 示波器信道保護(hù)器實(shí)物

THS3491 運(yùn)算放大器是電流反饋型（Current Feed Back，CFB）運(yùn)算放大器，-3 dB 帶寬900 MHz，擺率8 000 V/μs，線性輸出電流典型值±420 mA，可實(shí)現(xiàn)輸出電流限制和輸出電壓軌到軌，THS3491 運(yùn)算放大器芯片提供了SOIC和VQFN 兩種封裝模式以供選擇。本文利用THS3491 的高帶寬和高輸出驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器信道的寬帶全量程覆蓋和delta 信號(hào)的無(wú)失真響應(yīng)，利用輸出驅(qū)動(dòng)電流飽和限制實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器信道的有源保護(hù)功能。通過(guò)實(shí)現(xiàn)板級(jí)的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)（Signal Integrity，SI）、電源完整性設(shè)計(jì)（Power Integrity，PI）等，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能，達(dá)到了對(duì)脈沖信號(hào)的寬帶全量程無(wú)失真跟隨輸出功能。

1.1 信號(hào)完整性設(shè)計(jì)

信號(hào)完整性設(shè)計(jì)基于射頻信號(hào)理論、傳輸線理論等，主要采用阻抗控制、端接等方法，確保信號(hào)傳輸鏈路上的特征阻抗連續(xù)，解決因阻抗不連續(xù)等導(dǎo)致的信號(hào)畸變問(wèn)題[7-9]。電源完整性設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)低噪聲電壓的分配和快電流的及時(shí)響應(yīng)，信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的主要目的是解決信號(hào)傳輸過(guò)程中的畸變問(wèn)題；兩者的實(shí)現(xiàn)方法不同，實(shí)現(xiàn)的基本理論亦不同，具體如表1 所示。

表1 信號(hào)完整性和電源完整性區(qū)別

在PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意模擬信號(hào)鏈路上的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)，以求能夠發(fā)揮出系統(tǒng)的最佳性能，包括：輸入輸出路徑隔離與匹配、運(yùn)算放大器芯片引腳連接、PCB層開窗等。

在模擬信號(hào)的輸入輸出路徑上增加隔離串聯(lián)電阻，一方面能確保信號(hào)傳輸路徑上的特征阻抗連續(xù)；第二能確保傳輸路徑上前后端隔離，防止寄生參數(shù)惡化系統(tǒng)性能，確保系統(tǒng)帶寬內(nèi)的平坦度等[10-11]。

關(guān)于運(yùn)算放大器芯片引腳連接，設(shè)計(jì)時(shí)電源引腳和信號(hào)引腳兩類分別考慮。針對(duì)電源引腳的去耦，研制保護(hù)器PCB 上包含獨(dú)立的電源/地層，高效及時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)的電壓電流需求，為最優(yōu)化系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。信號(hào)引腳上的信號(hào)線一般采取最短走線原則，這樣可以有效確保芯片對(duì)負(fù)反饋控制的及時(shí)響應(yīng)，降低傳輸路徑上的寄生參數(shù)。

關(guān)于PCB 層的開窗，一般要求對(duì)芯片及走線正下方的PCB 層開窗，這樣可以降低信號(hào)路徑上引入的寄生參數(shù)干擾，優(yōu)化系統(tǒng)的高頻性能。有多種開窗方式可供選擇，可以把芯片正下方區(qū)域全部開窗，也可以只把芯片敏感引腳正下方區(qū)域部分開窗；可以把芯片正下方區(qū)域PCB 層全部開窗，也可以把芯片正下方區(qū)域的60%的PCB 層開窗；本文采用了在芯片及敏感走線的正下方區(qū)域的60%的PCB 層開窗的方式，實(shí)測(cè)指標(biāo)較優(yōu)。根據(jù)THS3491 的封裝不同研制了兩種保護(hù)器。

1.2 電源完整性設(shè)計(jì)

電源完整性設(shè)計(jì)基于電源芯片選型、電源濾波、電源去耦等理論，通過(guò)對(duì)電源的產(chǎn)生、分配、回流、去耦等鏈路控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)低噪聲電壓的分配和快電流的及時(shí)響應(yīng)等功能[12-15]。

為保護(hù)器設(shè)計(jì)的電源分配網(wǎng)絡(luò)如圖2 所示，綜合考慮了電源利用率和電源噪聲等因素，采用“DC/DC+LDO”的模式為THS3491 提供正負(fù)電源。DC/DC 轉(zhuǎn)換器采用了ADI 公司的LTM8049 芯片，把輸入的5 V 電壓，通過(guò)Buck/Boost 轉(zhuǎn)換后輸出+18 V、-18 V 電壓；±18 V 電壓 噪 聲較大，經(jīng)過(guò)濾波可以降低其中的開關(guān)頻率噪聲和低頻噪聲，濾波功能通過(guò)在鏈路上增加磁珠、RC Snubber 等方式實(shí)現(xiàn)；濾波后的±18 V 電壓分別輸入到正負(fù)電壓的LDO中，正電壓LDO 選擇ADI 公司的LT1764，負(fù)電壓LDO選擇ADI 公司的LT3015，經(jīng)過(guò)降壓轉(zhuǎn)換后，輸出±15 V電壓，作為THS3491 的工作電壓。

圖2 設(shè)計(jì)的電源分配網(wǎng)絡(luò)

LDO 的輸出電壓能夠完成系統(tǒng)對(duì)100 kHz 以下的電流需求的及時(shí)響應(yīng)，對(duì)超過(guò)該頻率的系統(tǒng)電流需求無(wú)法及時(shí)響應(yīng)。去耦功能可是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)高頻電流需求的及時(shí)響應(yīng)，去耦功能主要是通過(guò)去耦電容等實(shí)現(xiàn)，去耦電容的封裝選擇、容值選擇、擺放位置等可以通過(guò)去耦半徑[12，14]的概念進(jìn)行分析。

在PCB 上，電源/地不僅為系統(tǒng)的電子元器件提供工作電壓，而且還為電源、信號(hào)提供了最短的回流路徑。在高頻電路設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)論是電源還是信號(hào)，其回流路徑是最低感抗回流路徑。為了確保高速信號(hào)回流，設(shè)計(jì)的保護(hù)器為4 層板，設(shè)計(jì)專門的電源/地層，且地層緊靠高速信號(hào)的走線層，降低其回流路徑上的感抗和阻抗，降低噪聲。在頂層（Top）和底層（Bottom）走線完成之后，進(jìn)行表面敷銅接地處理，可以減小地線阻抗，提高抗干擾能力；降低電壓傳輸壓降，提高電源效率；與地線相連，還可以減小回流環(huán)路面積。此外，電源/地還作為PCB 上元器件的散熱路徑，降低熱阻，提高系統(tǒng)的散熱速度，保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

2 性能測(cè)試

對(duì)研制的示波器信道保護(hù)器進(jìn)行測(cè)試，首先比較了兩種封裝的保護(hù)器的幅頻特性曲線，標(biāo)定保護(hù)器的小信號(hào)帶寬和帶內(nèi)平坦度。其次標(biāo)定其輸入輸出線性度，測(cè)試其輸出噪聲。接著實(shí)測(cè)了保護(hù)器的delta 響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)并理論解釋了保護(hù)器輸出的峰移現(xiàn)象。最后測(cè)試了保護(hù)器的輸出保護(hù)功能和輸出恢復(fù)時(shí)間。文中如無(wú)特別說(shuō)明，性能測(cè)試中的保護(hù)器輸出電壓幅值是針對(duì)50 Ω 負(fù)載測(cè)量得到的。

采用Keisight 的網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試了兩種封裝規(guī)格的保護(hù)器，分別采用了SOIC、VQFN 封裝的THS3491 作為運(yùn)算放大器芯片，自研示波器信道保護(hù)器，其波特圖如圖3、圖4 所示。可以看到，采用SOIC 封裝THS3491 的保護(hù)器在低于670 MHz 的頻帶內(nèi)平坦度約為0.6 dB，-3 dB帶寬約為800 MHz，在300 MHz～500 MHz 頻率區(qū)間內(nèi)有一個(gè)極點(diǎn)導(dǎo)致了波特曲線的上沖，分析應(yīng)該是SOIC 封裝的芯片引腳寄生參數(shù)較大導(dǎo)致的；采用VQFN 封裝THS3491 的保護(hù)器在低于710 MHz 頻帶內(nèi)的平坦度約為0.3 dB，-3 dB 帶寬約為860 MHz。對(duì)比看到，采用VQFN 封裝THS3491 的保護(hù)器的波特圖全面占優(yōu)，是因?yàn)樵摲庋b整體尺寸更小、引腳間距更近，寄生參數(shù)更小。圖5 所示為TI 公司提供的VQFN 封裝THS3491 的開發(fā)板的波特圖，開發(fā)板的信道增益約為-13.5 dB，在500 MHz 以下頻帶內(nèi)的平坦度約為0.6 dB，-3 dB 帶寬約為640 MHz。對(duì)比可以看到，自研的保護(hù)器的帶寬更高、帶內(nèi)平坦度更好。

圖3 自研示波器信道保護(hù)器波特圖（SOIC 封裝）

圖4 自研示波器信道保護(hù)器波特圖（VQFN 封裝）

圖5 TI 官方開發(fā)板波特圖（SOIC）

采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源和示波器實(shí)測(cè)VQFN THS3491 封裝的保護(hù)器的輸入輸出線性度，脈沖信號(hào)頻率100 kHz 的，脈寬5 μs，保護(hù)器的輸入輸出線性曲線如圖6 所示，放大1.25 倍，擬合優(yōu)度近似為1，可見在±10 V 輸出量程范圍內(nèi)整體線性度較好，滿足±10 V（50 Ω 負(fù)載）的輸出驅(qū)動(dòng)。實(shí) 測(cè)VQFN 封 裝THS3491 的保護(hù)器在50 Ω 接 地時(shí)的空載噪聲，如 圖7 所 示，在2 μs 掃速、1 mV/div 擋位下，帶有保護(hù)器的示波器信道峰峰值約2 mV（下方深灰色），示波器50 Ω 空載本底噪聲峰峰值約1 mV（上方淺灰色）；對(duì)比兩個(gè)信道幅值，示波器顯示的幅值是所有采樣點(diǎn)幅值的平均值[16]，可以看到，帶有保護(hù)器的示波器信道和空載示波器信道的幅值相當(dāng)，帶有保護(hù)器的示波器信道分散性更大。

圖6 自研保護(hù)器輸入輸出特性

圖7 電壓噪聲比較

采用delta 信號(hào)源和示波器實(shí)測(cè)SOIC 封裝、VQFN封裝的保護(hù)器的delta 響應(yīng)，包括小信號(hào)delta 響應(yīng)、大信號(hào)delta 響應(yīng)，delta 信號(hào)的上升時(shí)間tr、下降時(shí)間tf約1 ns，脈寬小于2 ns，根據(jù)帶寬和上升時(shí)間tr的估算公式，delta信號(hào)的能量近似均勻分布在350 MHz 帶寬以下。如圖8所示，1 信道為直接進(jìn)入示波器的對(duì)比信號(hào)，3 信道為保護(hù)器輸出進(jìn)入到示波器信道的信號(hào)，delta 信號(hào)幅度約為600 mV，保護(hù)器的輸出信號(hào)和對(duì)比信號(hào)波形接近，實(shí)現(xiàn)了1:1 無(wú)失真跟隨輸出。如圖9 所示，delta 信號(hào)幅度約為5 V，保護(hù)器的輸出信號(hào)和對(duì)比信號(hào)波形接近，實(shí)現(xiàn)了1:1 無(wú)失真跟隨輸出。如圖10 所示，delta 信號(hào)幅度大于6 V 時(shí)，保護(hù)器的輸出信號(hào)和對(duì)比信號(hào)在幅值約5 V 處開始偏離，出現(xiàn)了峰移現(xiàn)象，峰時(shí)刻向后移動(dòng)約0.5 ns。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象有兩個(gè)原因，一是THS3491 芯片本身的壓擺率有限，為8 000 V/μs，無(wú)法跟隨輸入信號(hào)的特快電壓變化；二是為了隔離需要，在輸出鏈路上串聯(lián)了一個(gè)12.5 Ω電阻，進(jìn)一步降低了保護(hù)器對(duì)特快電壓變化的跟隨能力。根據(jù)文獻(xiàn)[3]中壓擺率計(jì)算公式，在輸出鏈路上串聯(lián)了一個(gè)12.5 Ω 電阻，針對(duì)50 Ω 負(fù)載，相當(dāng)于把THS3491 的壓擺率降低到了6 400 V/μs（8 000 V/μs×12.5/（12.5+50））。已知delta 信號(hào)的上升時(shí)間tr約為1 ns，則其能夠無(wú)失真跟隨的delta 脈沖電壓幅值約為6 400 V/μs×1 ns=6.4 V，考慮到信號(hào)傳輸路徑上的損耗等因素，理論和實(shí)測(cè)波形符合較好，即輸出信號(hào)電壓幅度在6 V 時(shí)就會(huì)發(fā)生明顯的峰移現(xiàn)象。如果在保護(hù)器輸出鏈路上串聯(lián)了一個(gè)0 Ω電阻，那么保護(hù)器能夠無(wú)失真跟隨的delta 信號(hào)電壓幅值約為8 000 V/μs×1 ns=8 V，即保護(hù)器輸出信號(hào)電壓幅值高于8 V 才會(huì)出現(xiàn)峰移現(xiàn)象；隨著信號(hào)的上升時(shí)間tr的增加，保護(hù)器能夠無(wú)失真跟隨的信號(hào)電壓幅值也正比成倍增加。

圖8 600 mVδ脈沖信號(hào)響應(yīng)

圖9 5Vδ脈沖信號(hào)響應(yīng)

圖10 6Vδ 脈沖信號(hào)響應(yīng)

delta 信號(hào)源輸出經(jīng)過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸后分路進(jìn)入示波器信道和保護(hù)器，用以測(cè)試保護(hù)器的輸出保護(hù)功能和輸出恢復(fù)時(shí)間，得到波形如圖11 所示，1 信道為直接進(jìn)入示波器的對(duì)比信號(hào)，2 信道為采用SOIC 封裝THS3491的保護(hù)器輸出進(jìn)入到示波器的信號(hào)，3 信道為采用VQFN 封裝THS3491 的保護(hù)器輸出進(jìn)入到示波器的信號(hào)?？梢钥吹?，VQFN 封裝的保護(hù)器跟隨效果較好，SOIC封裝的保護(hù)器恢復(fù)過(guò)程中的幅值震蕩較小，是因?yàn)槭艿絊OIC 封裝的寄生參數(shù)影響。在輸出電壓約6 V 時(shí)，保護(hù)器的輸出波形不能無(wú)失真跟隨輸入波形，發(fā)生峰移現(xiàn)象；在輸入信號(hào)電壓幅值超過(guò)10 V 時(shí)，保護(hù)器進(jìn)入到輸出保護(hù)狀態(tài)；當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅值下降到10 V 以下時(shí)，經(jīng)過(guò)約7 ns，保護(hù)器可以繼續(xù)無(wú)失真跟隨輸入電壓信號(hào)幅值，這個(gè)時(shí)間稱為保護(hù)器的輸出恢復(fù)時(shí)間。

圖11 保護(hù)器輸出恢復(fù)時(shí)間

3 結(jié)論

基于TI 公司VQFN 封裝的THS3491 芯片，研制寬帶全量程示波器信道保護(hù)器，經(jīng)過(guò)測(cè)試，保護(hù)器輸出電壓幅值范圍為±10 V，噪聲峰峰值約為2 mV；-3 dB 帶寬約為860 MHz，0.3 dB 平坦度帶寬約為710 MHz；可以實(shí)現(xiàn)對(duì)delta 信號(hào)（上升時(shí)間tr約1 ns，電壓幅值低于8 V）的無(wú)失真響應(yīng)；在輸入信號(hào)電壓幅值超過(guò)10 V 時(shí)，保護(hù)器進(jìn)入輸出保護(hù)狀態(tài)，輸出恢復(fù)時(shí)間約為7 ns，滿足了脈沖輻射場(chǎng)診斷中的示波器信道保護(hù)要求，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也取得了很好的效果，既確保測(cè)試數(shù)據(jù)安全，又確保示波器信道物理安全。本文的結(jié)果可以應(yīng)用到微弱信號(hào)的放大方面，對(duì)研究寬帶超低噪聲的模擬信號(hào)調(diào)理技術(shù)具有一定的借鑒意義。