Diseño de Filtro de Bloqueo de CC

Los osciloscopios son dispositivos vitales para los diseñadores de hardware, permitiéndoles entender cómo se comporta el circuito. Es muy importante comprender claramente los límites de su equipo de medición, incluyendo las sondas, tales como la ganancia de la sonda y el ancho de banda, la impedancia de entrada del canal y el voltaje máximo de entrada del canal. Por ejemplo, la mayoría de los osciloscopios solo tienen una opción de acoplamiento AC cuando se utiliza una terminación de entrada de alta impedancia pero no para 50 Ohm, donde cualquier sesgo de CC que exceda el límite de voltaje de entrada en su señal podría dañar completamente el canal de entrada del osciloscopio.

Simultáneamente, es posible que aún desee medir ruido, respuesta transitoria en una red de distribución de energía o datos de sensores de alta velocidad con un nivel de sesgo de CC desconocido o alto, lo que requiere que use una terminación de entrada de 50 ohmios. ¿Significa eso que no puede medir la señal en absoluto? La respuesta sería, como era de esperar, "Depende". En esos casos, se debe usar un filtro de bloqueo de CC en la entrada del osciloscopio para proteger el canal de un voltaje de sesgo de CC excesivo. Este artículo le mostrará cómo diseñar, simular y validar un diseño que puede construir usted mismo.

Filtro de Bloqueo de CC para Sondas de Osciloscopio

Los proyectos recientes en los que he estado trabajando están relacionados con fuentes de alimentación, redes de distribución de energía y algunas señales de muy alta velocidad, y requieren mediciones precisas para la validación del rendimiento. Aunque el uso de una sonda de alta gama ayudará a reducir los efectos adversos, prefiero conectar directamente la placa al osciloscopio a través de un cable coaxial para la medición de señales críticas, eliminando cualquier efecto de la sonda y limitaciones de ancho de banda de la ecuación. Dicho esto, ya no hay un factor de atenuación ajustable como muchas sondas pasivas, haciendo que el canal de entrada del osciloscopio sea vulnerable a un sobrevoltaje que excede el límite.

Circuito de Filtro de CC

Lamentablemente, mis osciloscopios tienen una limitación de ±5V máx cuando se utiliza la terminación de entrada de 50 ohmios, lo que significa que dañaría el osciloscopio si necesitara medir ruido o una señal con un sesgo de CC superior a 5V. Hay muchos filtros de bloqueo de CC disponibles en el mercado que se pueden comprar. Sin embargo, eso no es muy divertido. Un filtro de bloqueo de CC es solo un filtro de paso alto RC, siendo la terminación de 50 ohmios en el osciloscopio la resistencia en la fórmula. Por lo tanto, podemos construir un filtro de bloqueo simple y efectivo con un solo capacitor en serie con la señal.

Como puede ver en las capturas de pantalla anteriores, no se necesitan demasiados componentes para nuestro filtro de bloqueo de CC. Un capacitor de bloqueo (C1) se coloca en serie con la señal en el medio de la entrada y la salida. Para darle a la placa más funcionalidad potencial en el futuro, se han añadido dos almohadillas adicionales 0402 a ambos lados del capacitor de bloqueo, las cuales no se poblarán. Dado que no hay posibilidad de añadir almohadillas en el PCB fabricado más adelante, siempre es una buena práctica tener algunas almohadillas libres para cualquier retrabajo o mejora requerida, siempre y cuando no afecte las funciones obligatorias y el rendimiento.

Diseño del PCB

Aunque es una placa bastante simple desde el punto de vista del diseño, todavía hay algunos ajustes para hacer que se desempeñe mejor al considerar la integridad de la señal, especialmente cuando se considera la frecuencia objetivo de más de 6GHz. Es importante para la señal de alta frecuencia – alto ancho de banda tener la menor perturbación posible a través del camino, lo que significa que los stubs y las discontinuidades de impedancia deben minimizarse. Debido a esto, la almohadilla 0402 ha sido modificada para tener el mismo ancho que la pista de 50 ohmios asegurando suficiente pasta para mantener el componente en su lugar de forma segura. Además, he añadido un recorte de polígono en una capa superior bajo el conductor del conector SMA para reducir la capacitancia parásita para un mejor emparejamiento de impedancia. Mientras estamos en el tema, he tenido problemas previos con conectores SMA que no encajan firmemente en la placa y tienen problemas de fiabilidad ya que no hay suficiente soldadura si la almohadilla es más pequeña, así que he preferido tener una almohadilla ligeramente más grande. Eventualmente, es solo uno de los compromisos de ingeniería que un diseñador podría enfrentar durante el ciclo de vida del diseño, pero vale la pena mencionarlo. Como punto final respecto al diseño, se han añadido muchas vías de cosido para aumentar la unión de capas para asegurar un camino de retorno impecable alrededor de la placa y que no haya cavidades internas que hagan rebotar la energía.

Altium Designer tiene una característica fantástica que he amado desde el primer momento en que comencé a usarlo: la panelización. Nos permite crear paneles personalizados incrustando una placa en otra siempre y cuando compartan el mismo apilado. Eche un vistazo a las capturas de pantalla de mis paneles a continuación. Rápidamente se dará cuenta de que están incrustados en un ángulo de 45 grados en el panel.

El dieléctrico estándar FR4, que es rentable y ampliamente disponible en todas las casas de fabricación a nivel mundial, es una opción obvia para muchos de nosotros; es perfecto para muchas aplicaciones. Sin embargo, está formado por hilos de fibra de vidrio tejidos con relleno de epoxi, y las constantes dieléctricas de estos dos materiales son muy diferentes. Dicho esto, aunque la variación de la constante dieléctrica es insignificante para varios diseños, se vuelve más crítica cuando el tiempo de subida o el ancho de banda de la señal es alto o incluso cuando la longitud de onda de una señal analógica es similar al tamaño de la cavidad en la trama. Debido a esto, el FR4 no es preferido para placas de RF o de muy alta frecuencia; en su lugar, se selecciona un material más homogéneo, que generalmente es mucho más caro.

A pesar de esto, estoy usando FR4 estándar para mi filtro de bloqueo de CC. Quiero que el diseño funcione bien más allá del ancho de banda máximo de 6GHz de mi osciloscopio. No siempre es posible usar un dieléctrico no estándar para prototipos debido al costo o la disponibilidad del material. Por lo tanto, el enrutamiento en zigzag para señales críticas o la colocación angular del panel pueden ser soluciones rápidas para reducir el efecto de la trama de fibra – es solo otro compromiso de ingeniería. Colocar mis placas en un ángulo asegurará una distribución uniforme de los haces de fibra y la resina a través de la línea de transmisión para todas las placas, lo que significa que no terminaremos con algunas placas teniendo señales sentadas en un hilo de fibra y otras sentadas en resina, resultando en un rendimiento diferente entre placas.

Simulación de Circuitos y Pruebas de Componentes

Los cálculos teóricos para los valores de los componentes del filtro son un gran punto de partida, y te guiarán sobre qué esperar en la pantalla del equipo de prueba. Siempre es mejor simular para ver la respuesta, aunque usar componentes ideales no siempre sea tan realista. Sin embargo, se deben incluir modelos específicos de componentes y efectos parásitos. 

Podemos usar las herramientas de simulación integradas de Altium para estimar el rendimiento del filtro. Estamos buscando una respuesta de paso alto, y la frecuencia de corte nos dirá qué frecuencias serían atenuadas por nuestro filtro de bloqueo de CC. El capacitor de 30pF se selecciona para tener una frecuencia de corte de alrededor de 50MHz según los cálculos, y el resultado de la herramienta de simulación de Altium muestra que este es el caso. 

Todos sabemos muy bien que el mundo real no tiene componentes ideales. Desafortunadamente, todas las placas tienen capacitancia e inductancia parásitas. Estoy usando mi medidor LCR de alta precisión Rohde & Schwarz LCX200 para medir las parásitas reales de la placa. He soldado un par de cabezales de pin a los conectores SMA para encajar fácilmente la placa en el accesorio de orificio pasante de mi medidor LCR. El LCX200 me permite medir la capacitancia entre el conductor y tierra además de la capacitancia en serie, incluyendo efectos parásitos, que son 5.8pF y 32pF, respectivamente.

Ahora, puedo actualizar la simulación para reflejar los efectos reales de la placa. Cambiar el capacitor en serie en la simulación a 32pF y luego agregar la mitad de la capacitancia del conductor a tierra a cada lado de nuestro capacitor de bloqueo resultará en aproximadamente 54MHz de nueva frecuencia de corte realista.

Probando la Placa de Circuito

Después de tener algunas ideas sobre los resultados esperados (Regla del Pulgar #9 del Dr. Bogatin: Nunca realices una medición o simulación sin antes anticipar los resultados que esperas ver), es hora de probar esta placa para validar la simulación y ver el límite superior de frecuencia. Un analizador de redes vectorial es el equipo adecuado para esta placa. Estoy usando un Rohde & Schwarz ZNB8 VNA de 4 puertos con una frecuencia máxima de 8.5 GHz. Después de calibrar el instrumento, podemos conectar la placa del filtro de bloqueo de CC con los cables que adjuntaremos a la placa de prueba.

Justo después de la calibración, veamos la frecuencia de corte del filtro de bloqueo de CC. Añadí un marcador para buscar el punto de -3dB en el trazo, y mi VNA mostró que está alrededor de 51MHz, lo cual se alinea bien con la simulación. Cualquier frecuencia menor a 50MHz estará sujeta a una buena cantidad de atenuación. Sin embargo, es importante verificar que el área de banda pasante de este filtro debería ser bastante transparente a la señal. Estoy cambiando la frecuencia de inicio a 75 MHz y la frecuencia de parada a 8.5GHz para mover el área de atenuación de baja frecuencia severa fuera de la pantalla. Afortunadamente, no hay resultado para la búsqueda del punto de -3dB, y tenemos un pico mínimo en 7.6GHz, ligeramente por encima del punto de -3dB. Ese es un resultado bastante satisfactorio, y la pérdida en el rango de frecuencias que me interesan no impactará mis resultados de prueba.

Esta placa es de código abierto bajo la licencia MIT; puedes obtener los archivos de proyecto de Altium en mi GitHub y construir tus placas por una fracción del costo de comprar un filtro de bloqueo de CC. Utiliza las herramientas de simulación de Altium para probar diferentes capacitores y determinar el valor correcto para la frecuencia de corte que necesitas. También he publicado una segunda versión de esta placa, que tiene espacio para dos componentes en serie, lo cual es perfecto si también necesitas agregar atenuación a la señal o quieres construir un filtro más complejo.

Una nota final a tener en cuenta al diseñar tu propio filtro es usar capacitores de alta calidad, idealmente aquellos destinados para uso en RF, si necesitas un filtro de bloqueo de CC que pueda llegar a altas frecuencias como el mío. Otra consideración es la calificación de voltaje de los capacitores de bloqueo. Estos son solo capacitores de tamaño 0402, así que si usas valores de capacitores más grandes para reducir la frecuencia de bloqueo, pronto te encontrarás con capacitores con calificaciones de voltaje mucho más bajas.

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