Conception de filtre à blocage DC

Les oscilloscopes sont des appareils essentiels pour les concepteurs de matériel, leur permettant de comprendre le comportement du circuit. Il est très important de comprendre clairement les limites de votre équipement de mesure, y compris les sondes, telles que le gain de la sonde et la bande passante, l'impédance d'entrée du canal, et la tension d'entrée maximale du canal. Par exemple, la plupart des oscilloscopes n'ont qu'une option de couplage AC lorsqu'ils utilisent une terminaison d'entrée à haute impédance mais pas pour 50 Ohm, où tout biais DC dépassant la limite de tension d'entrée sur votre signal pourrait complètement endommager le canal d'entrée de l'oscilloscope.

En même temps, vous pourriez toujours vouloir mesurer le bruit, la réponse transitoire sur un réseau de distribution d'énergie, ou les données de capteurs à haute vitesse avec un niveau de biais DC inconnu ou élevé, vous obligeant à utiliser une terminaison d'entrée de 50 Ohm. Cela signifie-t-il que vous ne pouvez pas mesurer le signal du tout ? La réponse serait sans surprise, "Cela dépend". Dans ces cas, un filtre de blocage DC doit être utilisé sur l'entrée de l'oscilloscope pour protéger le canal contre une tension de biais DC excessive. Cet article vous montrera comment concevoir, simuler et valider un design que vous pouvez construire vous-même.

Filtre de Blocage DC pour Sondes d'Oscilloscope

Les projets récents sur lesquels j'ai travaillé sont liés aux alimentations, aux réseaux de distribution d'énergie, et à certains signaux très rapides, et ils nécessitent des mesures précises pour la validation des performances. Bien que l'utilisation d'une sonde haut de gamme aidera à réduire les effets néfastes, je préfère directement attacher la carte à l'oscilloscope via un câble coaxial pour la mesure des signaux critiques, éliminant ainsi tout effet de sonde et limitation de bande passante de l'équation. Cela dit, il n'y a plus de facteur d'atténuation ajustable comme avec de nombreuses sondes passives, rendant le canal d'entrée de l'oscilloscope vulnérable à une surtension qui dépasse la limite.

Circuit de Filtre DC

Malheureusement, mes oscilloscopes ont une limitation de ±5V max lors de l'utilisation de la terminaison d'entrée de 50 Ohm, ce qui signifie que je pourrais endommager l'oscilloscope si j'avais besoin de mesurer du bruit ou un signal avec un biais DC supérieur à 5V. Il existe de nombreux filtres de blocage DC disponibles dans le commerce. Cependant, ce n'est pas très amusant. Un filtre de blocage DC est juste un filtre passe-haut RC, avec la terminaison de 50 ohms dans l'oscilloscope étant la résistance dans la formule. Ainsi, nous pouvons construire un filtre de blocage simple et efficace avec un seul condensateur en série avec le signal.

Comme vous pouvez le voir dans les captures d'écran ci-dessus, il n'est pas nécessaire d'avoir trop de composants pour notre filtre à blocage DC. Un condensateur de blocage (C1) est placé en série avec le signal au milieu de l'entrée et de la sortie. Pour donner à la carte plus de fonctionnalités potentielles à l'avenir, deux pads supplémentaires 0402 de chaque côté du condensateur de blocage ont été ajoutés, qui ne seront pas peuplés. Puisqu'il n'est pas possible d'ajouter des pads dans le PCB fabriqué ultérieurement, fournir qu'il y ait aussi suffisamment d'espace sur la carte, c'est toujours une bonne pratique d'avoir quelques pads libres pour les retravaux ou améliorations nécessaires tant que cela n'affecte pas les fonctions obligatoires et la performance.

Disposition PCB

Bien que ce soit une carte assez simple d'un point de vue de la disposition, il y a encore quelques ajustements à faire pour qu'elle fonctionne mieux en considérant l'intégrité du signal, surtout lorsque la fréquence cible de plus de 6GHz est considérée. Il est important pour le signal à haute fréquence – large bande passante d'avoir le moins de perturbations possible à travers le chemin, ce qui signifie que les stubs et les discontinuités d'impédance devraient être minimisés. Pour cela, le pad 0402 a été modifié pour avoir la même largeur que la piste de 50 ohms tout en assurant assez de pâte pour maintenir le composant en place de manière sécurisée. De plus, j'ai ajouté une découpe polygonale sur une couche supérieure sous le conducteur du connecteur SMA pour réduire la capacité parasite pour une meilleure adaptation d'impédance. Pendant que nous sommes sur le sujet, j'ai eu des problèmes précédents avec des connecteurs SMA ne s'adaptant pas fermement à la carte et ayant des problèmes de fiabilité car il n'y a pas assez de soudure si le pad est plus petit, donc j'ai préféré avoir un pad légèrement plus grand. Finalement, c'est juste l'un des compromis d'ingénierie auxquels un concepteur pourrait faire face pendant le cycle de vie de la conception, mais il vaut la peine d'être noté. Comme dernier point concernant la disposition, de nombreux vias de couture sont ajoutés pour augmenter la liaison des couches pour assurer un chemin de retour sans faille autour de la carte et que aucune cavité interne ne rebondisse l'énergie.

Altium Designer a une fonctionnalité fantastique que j'ai adorée dès le premier moment où j'ai commencé à l'utiliser : la panelisation. Elle nous permet de créer des panneaux personnalisés en intégrant une carte dans une autre tant qu'elles partagent le même empilement. Jetez un coup d'œil aux captures d'écran de mes panneaux ci-dessous. Vous réaliserez rapidement qu'elles sont intégrées à un angle de 45 degrés dans le panneau.

Le diélectrique standard FR4, économique et largement disponible dans toutes les maisons de fabrication à travers le monde, est une évidence pour beaucoup d'entre nous ; il est parfait pour de nombreuses applications. Cependant, il est composé de brins de fibre de verre tissés avec un remplissage époxy, et les constantes diélectriques de ces deux matériaux sont très différentes. Cela dit, bien que la variation de la constante diélectrique soit négligeable pour diverses conceptions, elle devient plus critique lorsque le temps de montée ou la bande passante du signal est élevé ou même lorsque la longueur d'onde d'un signal analogique est similaire à la taille de la cavité dans le tissage. Pour cette raison, le FR4 n'est pas préféré pour les cartes RF ou de très haute fréquence ; à la place, un matériel plus homogène est sélectionné, qui est généralement bien plus coûteux.

Malgré cela, j'utilise le FR4 standard pour mon filtre de blocage DC. Je veux que la conception fonctionne bien au-delà de la bande passante maximale de 6GHz de mon oscilloscope. Il n'est pas toujours possible d'utiliser un diélectrique non standard pour le prototypage en raison du coût ou de la disponibilité du matériel. Par conséquent, le routage en zigzag pour les signaux critiques ou le placement incliné du panneau peut être une solution rapide pour réduire l'effet de tissage des fibres – c'est juste un autre compromis d'ingénierie. Placer mes cartes sous un angle assurera une distribution uniforme des faisceaux de fibres et de la résine à travers la ligne de transmission pour toutes les cartes, ce qui signifie que nous n'aurons pas certaines cartes avec des signaux se trouvant sur un brin de fibre et d'autres sur de la résine, entraînant des performances différentes entre les cartes.

Simulation de Circuit et Test des Composants

Les calculs théoriques pour les valeurs des composants du filtre sont un excellent point de départ, et ils vous guideront sur ce à quoi vous attendre sur l'écran de l'équipement de test. Il est toujours préférable de simuler pour voir la réponse, même si l'utilisation de composants idéaux n'est pas toujours aussi réaliste. Cependant, les modèles spécifiques aux composants et les effets parasites doivent être inclus.

Nous pouvons utiliser les outils de simulation intégrés d'Altium pour estimer la performance du filtre. Nous recherchons une réponse passe-haut, et la fréquence de coupure nous indiquera quelles fréquences seraient atténuées par notre filtre de blocage DC. Le condensateur de 30pF est sélectionné pour avoir une fréquence de coupure d'environ 50MHz selon les calculs, et le résultat de l'outil de simulation d'Altium montre que c'est le cas.

Nous savons tous très bien que le monde réel ne possède pas de composants idéaux. Malheureusement, toutes les cartes ont une capacité et une inductance parasites. J'utilise mon mètre LCR de haute précision Rohde & Schwarz LCX200 pour mesurer les parasitiques réels de la carte. J'ai soudé quelques connecteurs à broches aux connecteurs SMA pour facilement insérer la carte dans le dispositif à trou traversant de mon mètre LCR. Le LCX200 me permet de mesurer la capacité entre le conducteur et la terre en plus de la capacité en série, y compris les effets parasites, qui sont respectivement de 5,8pF et 32pF.

Maintenant, je peux mettre à jour la simulation pour refléter les effets réels de la carte. Changer le condensateur en série dans la simulation pour 32pF puis ajouter la moitié de la capacité conducteur-terre de chaque côté de notre condensateur de blocage résultera en une nouvelle fréquence de coupure réaliste d'environ 54MHz.

Test de la carte de circuit

Après avoir eu quelques aperçus des résultats attendus (Règle générale n°9 de Dr.Bogatin : Ne jamais effectuer une mesure ou une simulation sans anticiper d'abord les résultats que vous espérez voir), il est temps de tester cette carte pour valider la simulation et voir la limite de fréquence supérieure. Un analyseur de réseau vectoriel est l'équipement adéquat pour cette carte. J'utilise un analyseur de réseau vectoriel Rohde & Schwarz ZNB8 à 4 ports avec une fréquence maximale de 8,5 GHz. Après avoir calibré l'instrument, nous pouvons connecter la carte du filtre à blocage DC avec les câbles que nous attacherons à la carte de test.

Juste après l'étalonnage, examinons la fréquence de coupure du filtre de blocage DC. J'ai ajouté un marqueur pour rechercher le point à -3dB sur la trace, et mon analyseur vectoriel de réseau (VNA) a montré qu'il est autour de 51MHz, ce qui correspond bien à la simulation. Toute fréquence inférieure à 50MHz sera soumise à une bonne quantité d'atténuation. Pourtant, il est important de vérifier que la zone de bande passante de ce filtre devrait être assez transparente au signal. Je change la fréquence de départ pour 75 MHz et la fréquence d'arrêt pour 8,5GHz pour déplacer la zone d'atténuation basse fréquence sévère hors de l'écran. Heureusement, il n'y a aucun résultat pour la recherche du point à -3dB, et nous avons un pic minimal à 7,6GHz, légèrement au-dessus du point à -3dB. C'est un résultat assez satisfaisant, et la perte dans la gamme de fréquences qui m'intéresse n'impactera pas mes résultats de test.

Cette carte est open source sous la licence MIT ; vous pouvez récupérer les fichiers de projet Altium sur mon GitHub et construire vos cartes pour une fraction du coût d'achat d'un filtre de blocage DC. Utilisez les outils de simulation d'Altium pour essayer différentes valeurs de condensateurs afin de déterminer la bonne valeur pour la fréquence de coupure dont vous avez besoin. J'ai également publié une seconde version de cette carte, qui a de la place pour deux composants en série, ce qui est parfait si vous avez également besoin d'ajouter de l'atténuation au signal ou si vous souhaitez construire un filtre plus complexe.

Une note finale à garder à l'esprit lors de la conception de votre propre filtre est d'utiliser des condensateurs de haute qualité, idéalement ceux destinés à l'usage RF, si vous avez besoin d'un filtre de blocage DC qui peut aller à des fréquences élevées comme le mien. Une autre considération est la tension nominale des condensateurs de blocage. Ce ne sont que des condensateurs de taille 0402, donc si vous utilisez des valeurs de condensateurs plus grandes pour réduire la fréquence de blocage, vous vous retrouverez bientôt avec des condensateurs à tension nominale beaucoup plus basse.

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