Progettazione del filtro DC Block

Gli oscilloscopi sono dispositivi fondamentali per i progettisti hardware, permettendo loro di comprendere il comportamento del circuito. È molto importante comprendere chiaramente i limiti delle proprie apparecchiature di misura, inclusi i sonde, come il guadagno della sonda e la larghezza di banda, l'impedenza di ingresso del canale e la tensione massima di ingresso del canale. Ad esempio, la maggior parte degli oscilloscopi ha solo un'opzione di accoppiamento AC quando si utilizza una terminazione di ingresso ad alta impedenza ma non per 50 Ohm, dove qualsiasi polarizzazione DC che supera il limite di tensione di ingresso sul tuo segnale potrebbe danneggiare completamente il canale di ingresso dello strumento.

Allo stesso tempo, potresti comunque voler misurare il rumore, la risposta transitoria su una rete di distribuzione dell'energia o dati di sensori ad alta velocità con un livello di polarizzazione DC sconosciuto o elevato, richiedendo l'uso di una terminazione di ingresso a 50 Ohm. Significa che non puoi misurare affatto il segnale? La risposta sarebbe, sorprendentemente, "Dipende". In questi casi, deve essere utilizzato un filtro di blocco DC sull'ingresso dell'oscilloscopio per proteggere il canale da una tensione di polarizzazione DC eccessiva. Questo articolo ti mostrerà come progettare, simulare e convalidare un design che puoi costruire da solo.

Filtro di Blocco DC per Sonde di Oscilloscopi

I progetti recenti su cui ho lavorato sono relativi a forniture di energia, reti di distribuzione dell'energia e alcuni segnali molto ad alta velocità, e richiedono misurazioni precise per la convalida delle prestazioni. Anche se l'uso di una sonda di alta gamma aiuterà a ridurre gli effetti negativi, preferisco collegare direttamente la scheda allo strumento tramite un cavo coassiale per la misurazione dei segnali critici, eliminando qualsiasi effetto della sonda e limitazioni di larghezza di banda dall'equazione. Detto ciò, non c'è più un fattore di attenuazione regolabile come molte sonde passive, rendendo il canale di ingresso dello strumento vulnerabile a sovratensioni che superano il limite.

Circuito del Filtro DC

Sfortunatamente, i miei oscilloscopi hanno un limite di ±5V max quando si utilizza la terminazione di ingresso a 50 Ohm, il che significa che danneggerei lo strumento se avessi bisogno di misurare rumore o un segnale con una polarizzazione DC superiore a 5V. Ci sono molti filtri di blocco DC pronti per l'uso che possono essere acquistati. Tuttavia, non è molto divertente. Un filtro di blocco DC è solo un filtro passa-alto RC, con la terminazione a 50 ohm nello strumento che funge da resistore nella formula. Quindi, possiamo costruire un filtro di blocco semplice ed efficace con un singolo condensatore in serie con il segnale.

Come puoi vedere negli screenshot sopra, non sono necessari troppi componenti per il nostro filtro DC block. Un condensatore di blocco (C1) è posizionato in serie al segnale nel mezzo dell'ingresso e dell'uscita. Per dare alla scheda più potenziale funzionalità futura, sono stati aggiunti due ulteriori pad 0402 su entrambi i lati del condensatore di blocco, che non saranno popolati. Poiché non c'è possibilità di aggiungere pad al PCB prodotto in seguito, fornire che ci sia anche abbastanza spazio sulla scheda, è sempre una buona pratica avere alcuni pad liberi per eventuali lavori di rifacimento o miglioramenti purché non influenzino le funzioni obbligatorie e le prestazioni.

Layout PCB

Anche se si tratta di una scheda piuttosto semplice dal punto di vista del layout, ci sono ancora alcuni accorgimenti per farla funzionare meglio considerando l'integrità del segnale, specialmente quando si considera la frequenza target di oltre 6GHz. È importante per il segnale ad alta frequenza – alta larghezza di banda avere il minor disturbo possibile lungo il percorso, il che significa che gli stub e le discontinuità di impedenza dovrebbero essere minimizzati. Per questo, il pad 0402 è stato modificato per avere la stessa larghezza della traccia da 50 ohm garantendo allo stesso tempo abbastanza pasta per tenere il componente saldamente in posizione. Inoltre, ho aggiunto un taglio poligonale su un strato superiore sotto il conduttore del connettore SMA per ridurre la capacità parassita per un migliore adattamento di impedenza. Mentre siamo in argomento, ho avuto problemi in precedenza con i connettori SMA che non si adattavano saldamente alla scheda e avevano problemi di affidabilità poiché non c'è abbastanza saldatura se il pad è più piccolo, quindi ho preferito avere un pad leggermente più grande. Alla fine, è solo uno dei compromessi ingegneristici che un progettista potrebbe affrontare durante il ciclo di vita del design, ma vale la pena notarlo. Come punto finale riguardo al layout, sono stati aggiunti molti via di stitching per aumentare il legame degli strati per garantire un percorso di ritorno impeccabile intorno alla scheda e che nessuna cavità interna faccia rimbalzare l'energia.

Altium Designer ha una caratteristica fantastica che ho amato dal primo momento in cui ho iniziato a usarlo: la panelizzazione. Ci permette di creare pannelli personalizzati incorporando una scheda in un'altra a patto che condividano lo stesso stack-up. Dai un'occhiata agli screenshot dei miei pannelli qui sotto. Ti renderai rapidamente conto che sono incorporati a un angolo di 45 gradi nel pannello.

Il dielettrico standard FR4, economico e ampiamente disponibile in tutte le fabbriche di produzione in tutto il mondo, è una scelta ovvia per molti di noi; è perfetto per molte applicazioni. Tuttavia, è composto da filamenti di vetroresina intrecciati con riempitivo in epossidico, e le costanti dielettriche di questi due materiali sono molto diverse. Detto ciò, sebbene la variazione della costante dielettrica sia trascurabile per vari progetti, diventa più critica quando il tempo di salita o la larghezza di banda del segnale è elevata o anche quando la lunghezza d'onda di un segnale analogico è simile alla dimensione della cavità nella trama. Per questo motivo, l'FR4 non è preferito per schede RF o ad altissima frequenza; invece, si seleziona un materiale più omogeneo, che generalmente è molto più costoso.

Nonostante ciò, sto utilizzando l'FR4 standard per il mio filtro di blocco DC. Voglio che il progetto funzioni bene oltre la massima larghezza di banda di 6GHz del mio oscilloscopio. Non è sempre possibile utilizzare un dielettrico non standard per la prototipazione a causa del costo o della disponibilità del materiale. Pertanto, il routing a zig-zag per i segnali critici o il posizionamento angolato del pannello possono essere una soluzione rapida per ridurre l'effetto della trama in fibra - è solo un altro compromesso ingegneristico. Posizionare le mie schede in angolazione garantirà una distribuzione uniforme dei fasci di fibre e della resina attraverso la linea di trasmissione per tutte le schede, significando che non finiremo con alcune schede che hanno segnali posizionati su un filamento di fibra e altre posizionate sulla resina, risultando in prestazioni diverse tra le schede.

Simulazione del Circuito e Test dei Componenti

I calcoli teorici per i valori dei componenti del filtro sono un ottimo punto di partenza e vi guideranno su cosa aspettarvi sullo schermo dell'attrezzatura di test. È sempre meglio simulare per vedere la risposta, anche se l'utilizzo di componenti ideali potrebbe non essere sempre realistico. Tuttavia, dovrebbero essere inclusi i modelli specifici dei componenti e gli effetti parassiti.

Possiamo utilizzare gli strumenti di simulazione integrati di Altium per stimare le prestazioni del filtro. Stiamo cercando una risposta ad alta passata, e la frequenza di taglio ci dirà quali frequenze sarebbero attenuate dal nostro filtro di blocco DC. Il condensatore da 30pF è selezionato per avere una frequenza di taglio di circa 50MHz secondo i calcoli, e il risultato dello strumento di simulazione di Altium mostra che è così.

Sappiamo tutti molto bene che il mondo reale non ha componenti ideali. Sfortunatamente, tutte le schede hanno capacità e induttanza parassite. Sto utilizzando il mio misuratore LCR di alta precisione Rohde & Schwarz LCX200 per misurare le parassitosità reali della scheda. Ho saldato un paio di pin header ai connettori SMA per inserire facilmente la scheda nel dispositivo di fissaggio through-hole del mio misuratore LCR. L'LCX200 mi permette di misurare la capacità tra il conduttore e la terra oltre alla capacità in serie, includendo gli effetti parassiti, che sono rispettivamente di 5,8pF e 32pF.

Ora, posso aggiornare la simulazione per riflettere gli effetti reali della scheda. Cambiando il condensatore in serie nella simulazione a 32pF e poi aggiungendo metà della capacità conduttore-terra da entrambi i lati del nostro condensatore di blocco, otterremo una nuova frequenza di taglio realistica di circa 54MHz.

Test della Scheda Circuito

Dopo aver ottenuto alcune intuizioni sui risultati attesi (Regola del Pollice #9 del Dr.Bogatin: Non eseguire mai una misurazione o simulazione senza prima anticipare i risultati che ci si aspetta di vedere), è il momento di testare questa scheda per validare la simulazione e vedere il limite di frequenza superiore. Un analizzatore di rete vettoriale è l'attrezzatura giusta per questa scheda. Sto utilizzando un Rohde & Schwarz ZNB8 4-port VNA con una frequenza massima di 8,5 GHz. Dopo aver calibrato lo strumento, possiamo collegare la scheda del filtro a blocco DC con i cavi che attaccheremo alla scheda di test.

Subito dopo la calibrazione, diamo un'occhiata alla frequenza di taglio del filtro di blocco DC. Ho aggiunto un marcatore per cercare il punto a -3dB sulla traccia, e il mio VNA ha mostrato che si trova intorno ai 51MHz, il che si allinea bene con la simulazione. Qualsiasi frequenza inferiore a 50MHz sarà soggetta a una buona quantità di attenuazione. Tuttavia, è importante verificare che l'area della banda passante di questo filtro dovrebbe essere abbastanza trasparente al segnale. Sto cambiando la frequenza di inizio a 75 Mhz e la frequenza di stop a 8,5GHz per spostare l'area di severa attenuazione delle basse frequenze fuori dallo schermo. Fortunatamente, non c'è risultato per la ricerca del punto a -3dB, e abbiamo un picco minimo a 7,6GHz, leggermente sopra il punto a -3dB. Questo è un risultato piuttosto soddisfacente, e la perdita nell'intervallo di frequenze che mi interessa non influenzerà i miei risultati di test.

Questa scheda è open source sotto la licenza MIT; puoi prendere i file del progetto Altium sul mio GitHub e costruire le tue schede a una frazione del costo di acquisto di un filtro di blocco DC. Usa gli strumenti di simulazione di Altium per provare diversi condensatori per determinare il valore giusto per la frequenza di taglio di cui hai bisogno. Ho anche pubblicato una seconda versione di questa scheda, che ha spazio per due componenti in serie, perfetta se hai bisogno anche di aggiungere attenuazione al segnale o vuoi costruire un filtro più complesso.

Un'ultima nota da tenere a mente quando progetti il tuo filtro è di usare condensatori di alta qualità, idealmente quelli destinati all'uso RF, se hai bisogno di un filtro di blocco DC che possa arrivare ad alte frequenze come il mio. Un'altra considerazione è la valutazione della tensione dei condensatori di blocco. Questi sono solo condensatori di dimensione 0402, quindi se usi valori di condensatori più grandi per ridurre la frequenza di blocco, ti troverai presto con condensatori con una valutazione di tensione molto più bassa.

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