DC-Block-Filter-Entwurf

Oszilloskope sind für Hardware-Designer unverzichtbare Geräte, da sie es ihnen ermöglichen, das Verhalten der Schaltung zu verstehen. Es ist sehr wichtig, die Grenzen Ihrer Messgeräte, einschließlich der Tastköpfe, wie Tastkopfverstärkung und Bandbreite, Eingangsimpedanz des Kanals und maximale Eingangsspannung des Kanals, klar zu verstehen. Zum Beispiel haben die meisten Oszilloskope nur eine AC-Kopplungsoption bei Verwendung einer hochohmigen Eingangsterminierung, aber nicht für 50 Ohm, wo jede Gleichspannungsverzerrung, die das Eingangsspannungslimit Ihres Signals überschreitet, den Eingangskanal des Oszilloskops vollständig beschädigen könnte.

Gleichzeitig möchten Sie möglicherweise immer noch Rauschen, transiente Antwort auf einem Stromverteilungsnetzwerk oder Hochgeschwindigkeitssensordaten mit einem unbekannten oder hohen Gleichspannungspegel messen, was Sie dazu veranlasst, eine 50-Ohm-Eingangsterminierung zu verwenden. Bedeutet das, dass Sie das Signal überhaupt nicht messen können? Die Antwort wäre überraschenderweise: "Es kommt darauf an". In diesen Fällen muss ein DC-Blockfilter am Eingang des Oszilloskops verwendet werden, um den Kanal vor übermäßiger Gleichspannung zu schützen. Dieser Artikel wird Ihnen zeigen, wie Sie ein Design entwerfen, simulieren und validieren können, das Sie selbst bauen können.

DC-Blockfilter für Oszilloskoptastköpfe

Bei den jüngsten Projekten, an denen ich gearbeitet habe, geht es um Stromversorgungen, Stromverteilungsnetzwerke und einige sehr hochgeschwindigkeitssignale, und sie erfordern präzise Messungen zur Leistungsvalidierung. Obwohl die Verwendung eines hochwertigen Tastkopfes negative Effekte reduzieren würde, bevorzuge ich für kritische Signalmessungen die direkte Verbindung des Boards mit dem Oszilloskop über ein Koaxialkabel, um jegliche Tastkopfeffekte und Bandbreitenbeschränkungen aus der Gleichung zu entfernen. Das bedeutet jedoch, dass es keinen einstellbaren Dämpfungsfaktor mehr gibt, wie bei vielen passiven Tastköpfen, was den Eingangskanal des Oszilloskops für Überspannungen, die das Limit überschreiten, anfällig macht.

DC-Filterkreis

Leider haben meine Oszilloskope eine Begrenzung von ±5V max bei Verwendung der 50-Ohm-Eingangsterminierung, was bedeutet, dass ich das Oszilloskop beschädigen würde, wenn ich Rauschen oder ein Signal mit einem Gleichspannungspegel über 5V messen müsste. Es gibt viele fertige DC-Blockfilter, die gekauft werden können. Allerdings macht das nicht so viel Spaß. Ein DC-Blockfilter ist nur ein RC-Hochpassfilter, wobei die 50-Ohm-Terminierung im Oszilloskop der Widerstand in der Formel ist. Daher können wir einen einfachen und effektiven Blockfilter mit einem einzigen Kondensator in Serie mit dem Signal bauen.

Wie Sie in den obigen Screenshots sehen können, werden nicht allzu viele Komponenten für unseren DC-Blockfilter benötigt. Ein Blockkondensator (C1) wird in Serie mit dem Signal in der Mitte des Eingangs und Ausgangs platziert. Um der Platine mehr potenzielle zukünftige Funktionalität zu geben, wurden auf beiden Seiten des Blockkondensators zwei zusätzliche 0402-Pads hinzugefügt, die nicht bestückt werden. Da es keine Möglichkeit gibt, später Pads in die hergestellte PCB einzufügen, ist es, vorausgesetzt, dass auch genügend Platz auf der Platine vorhanden ist, immer eine gute Praxis, einige freie Pads für eventuell erforderliche Nacharbeiten oder Verbesserungen zu haben, solange dies nicht die obligatorischen Funktionen und die Leistung beeinträchtigt.

PCB-Layout

Obwohl es aus Layout-Sicht eine ziemlich einfache Platine ist, gibt es dennoch einige Anpassungen, um die Leistung in Bezug auf die Signalintegrität zu verbessern, insbesondere wenn die Ziel-Frequenz von mehr als 6GHz berücksichtigt wird. Es ist wichtig, dass das Hochfrequenz-Hochbandbreiten-Signal so wenig Störungen wie möglich auf dem Weg hat, was bedeutet, dass Stubs und Impedanzdiskontinuitäten minimiert werden sollten. Aus diesem Grund wurde das 0402-Pad so modifiziert, dass es dieselbe Breite wie die 50-Ohm-Leiterbahn hat, während gleichzeitig genügend Paste sichergestellt wird, um die Komponente sicher an ihrem Platz zu halten.

Zusätzlich habe ich einen Polygon-Ausschnitt auf einer oberen Schicht unter dem Leiter des SMA-Steckverbinders hinzugefügt, um die parasitäre Kapazität zu reduzieren und eine bessere Impedanzanpassung zu erreichen. Während wir beim Thema sind, hatte ich früher Probleme damit, dass SMA-Steckverbinder nicht fest auf der Platine saßen und Zuverlässigkeitsprobleme hatten, da nicht genügend Lötzinn vorhanden ist, wenn das Pad kleiner ist, daher habe ich es vorgezogen, ein leicht größeres Pad zu haben. Letztendlich ist es nur einer der Ingenieurkompromisse, mit denen ein Designer während des Designlebenszyklus konfrontiert sein könnte, aber es ist erwähnenswert. Als abschließender Punkt zum Layout wurden viele Stitching-Vias hinzugefügt, um die Verbindung der Schichten zu erhöhen und sicherzustellen, dass ein einwandfreier Rückweg um die Platine herum besteht und dass keine internen Hohlräume die Energie herumwirbeln lassen.

Altium Designer hat eine fantastische Funktion, die ich vom ersten Moment an, als ich es zu benutzen begann, geliebt habe: die Panelisierung. Sie ermöglicht es uns, benutzerdefinierte Panels zu erstellen, indem ein Board in ein anderes eingebettet wird, solange sie denselben Stack-Up teilen. Werfen Sie einen Blick auf die Screenshots meiner Panels unten. Sie werden schnell erkennen, dass sie unter einem 45-Grad-Winkel in das Panel eingebettet sind.

Standard FR4-Dielektrikum, das kostengünstig und weltweit in allen Fertigungsbetrieben verfügbar ist, ist für viele von uns eine Selbstverständlichkeit; es ist perfekt für viele Anwendungen. Es besteht jedoch aus gewebten Glasfasersträngen mit Epoxidfüller, und die Dielektrizitätskonstanten dieser beiden Materialien unterscheiden sich sehr. Das gesagt, obwohl die Variation der Dielektrizitätskonstante für verschiedene Designs vernachlässigbar ist, wird sie kritischer, wenn die Anstiegszeit oder Bandbreite des Signals hoch ist oder sogar, wenn die Wellenlänge eines analogen Signals ähnlich der Kavitätsgröße im Gewebe ist. Deshalb wird FR4 nicht für RF- oder sehr hochfrequente Boards bevorzugt; stattdessen wird ein homogeneres Material ausgewählt, das in der Regel viel teurer ist.

Trotzdem verwende ich Standard-FR4 für meinen DC-Blockfilter. Ich möchte, dass das Design gut über die maximale Bandbreite von 6GHz meines Oszilloskops hinaus funktioniert. Es ist nicht immer möglich, für Prototypen ein nicht standardmäßiges Dielektrikum aufgrund der Kosten oder Materialverfügbarkeit zu verwenden. Daher kann eine Zickzack-Verlegung für kritische Signale oder eine schräge Plattenplatzierung ein schneller Workaround sein, um den Fasergewebefeffekt zu reduzieren – es ist nur ein weiterer Ingenieurkompromiss. Meine Platinen schräg zu platzieren, wird eine gleichmäßige Verteilung der Faserbündel und des Harzes durch die Übertragungsleitung für alle Platinen gewährleisten, was bedeutet, dass wir nicht mit einigen Platinen enden, bei denen Signale auf einem Faserstrang sitzen und andere auf Harz, was zu unterschiedlichen Leistungen zwischen den Platinen führt.

Schaltungssimulation und Komponententest

Theoretische Berechnungen für die Filterkomponentenwerte sind ein großartiger Ausgangspunkt und sie werden Sie durch das leiten, was Sie auf dem Bildschirm des Testgeräts erwarten können. Es ist immer besser zu simulieren, um die Antwort zu sehen, auch wenn die Verwendung idealer Komponenten nicht immer so realistisch sein mag. Jedoch sollten komponentenspezifische Modelle und parasitäre Effekte einbezogen werden. 

Wir können die integrierten Simulationstools von Altium nutzen, um die Leistung des Filters zu schätzen. Wir suchen nach einer Hochpassantwort, und die Grenzfrequenz wird uns sagen, welche Frequenzen von unserem DC-Blockfilter gedämpft würden. Der 30pF Kondensator ist ausgewählt, um eine Grenzfrequenz von ungefähr 50MHz nach Berechnungen zu haben, und das Ergebnis des Altium-Simulationstools zeigt, dass dies der Fall ist. 

Wir wissen alle sehr gut, dass es in der realen Welt keine idealen Komponenten gibt. Leider haben alle Platinen parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten. Ich verwende mein Rohde & Schwarz LCX200 Hochpräzisions-LCR-Messgerät, um die realen parasitären Effekte der Platine zu messen. Ich habe ein paar Stiftleisten an die SMA-Anschlüsse gelötet, um die Platine leicht in die Durchgangsvorrichtung meines LCR-Messgeräts einpassen zu können. Das LCX200 ermöglicht es mir, die Kapazität zwischen dem Leiter und dem Erdboden zusätzlich zur Serienkapazität zu messen, einschließlich parasitärer Effekte, die jeweils 5,8pF und 32pF betragen.

Nun kann ich die Simulation aktualisieren, um die realen Effekte der Platine widerzuspiegeln. Wenn ich den Serienkondensator in der Simulation auf 32pF ändere und dann die Hälfte der Leiter-zu-Erde-Kapazität auf beiden Seiten unseres Sperrkondensators hinzufüge, ergibt sich eine neue realistische Grenzfrequenz von ungefähr 54MHz.

Testen der Platine

Nachdem wir einige Einblicke in die erwarteten Ergebnisse gewonnen haben (Faustregel Nr. 9 von Dr. Bogatin: Führen Sie niemals eine Messung oder Simulation durch, ohne zuvor die Ergebnisse zu erwarten, die Sie sehen möchten), ist es an der Zeit, diese Platine zu testen, um die Simulation zu validieren und die obere Frequenzgrenze zu sehen. Ein Vektor-Netzwerkanalysator ist das richtige Gerät für diese Platine. Ich verwende einen Rohde & Schwarz ZNB8 4-Port-VNA mit einer maximalen Frequenz von 8,5 GHz. Nach der Kalibrierung des Instruments können wir das DC-Blockfilter-Board mit den Kabeln verbinden, die wir an das Testboard anschließen werden.

Kurz nach der Kalibrierung werfen wir einen Blick auf die Grenzfrequenz des DC-Sperrfilters. Ich habe einen Marker hinzugefügt, um den -3dB-Punkt auf der Spur zu suchen, und mein VNA zeigte, dass er bei etwa 51MHz liegt, was gut mit der Simulation übereinstimmt. Jede Frequenz unter 50MHz wird einer guten Menge an Dämpfung unterliegen. Dennoch ist es wichtig zu überprüfen, dass der Durchlassbereich dieses Filters für das Signal ziemlich transparent sein sollte. Ich ändere die Startfrequenz auf 75 MHz und die Stoppfrequenz auf 8,5GHz, um den Bereich der starken Niederfrequenzdämpfung aus dem Bildschirm zu verschieben. Glücklicherweise gibt es kein Ergebnis für die -3dB-Punktsuche, und wir haben einen minimalen Peak bei 7,6GHz, etwas über dem -3dB-Punkt. Das ist ein ziemlich zufriedenstellendes Ergebnis, und der Verlust im Bereich der Frequenzen, die mich interessieren, wird meine Testergebnisse nicht beeinflussen.

Diese Platine ist Open Source unter der MIT-Lizenz; Sie können die Altium-Projektdateien auf meinem GitHub abrufen und Ihre Platinen zu einem Bruchteil der Kosten eines Kaufs eines DC-Blockfilters bauen. Verwenden Sie die Simulationswerkzeuge von Altium, um verschiedene Kondensatoren auszuprobieren und den richtigen Wert für die benötigte Grenzfrequenz zu bestimmen. Ich habe auch eine zweite Version dieser Platine veröffentlicht, die Platz für zwei Serienkomponenten bietet, was perfekt ist, wenn Sie auch eine Dämpfung zum Signal hinzufügen müssen oder einen komplexeren Filter bauen möchten.

Eine abschließende Anmerkung, die Sie beim Entwurf Ihres eigenen Filters beachten sollten, ist die Verwendung von hochwertigen Kondensatoren, idealerweise solchen, die für den RF-Einsatz vorgesehen sind, wenn Sie einen DC-Blockfilter benötigen, der zu hohen Frequenzen wie meiner gehen kann. Eine weitere Überlegung ist die Spannungsbewertung der Sperrkondensatoren. Dies sind nur 0402-große Kondensatoren, also wenn Sie größere Kondensatorwerte verwenden, um die Sperrfrequenz zu reduzieren, werden Sie bald feststellen, dass Sie viel niedriger bewertete Kondensatoren haben.

Ob Sie zuverlässige Leistungselektronik oder fortschrittliche digitale Systeme bauen müssen, nutzen Sie den kompletten Satz an PCB-Designfunktionen und Weltklasse-CAD-Tools in Altium Designer®. Um die Zusammenarbeit in der heutigen disziplinübergreifenden Umgebung zu implementieren, nutzen innovative Unternehmen die Altium 365™ Plattform, um Design-Daten einfach zu teilen und Projekte in die Fertigung zu bringen.

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