DCブロックフィルター設計

オシロスコープはハードウェア設計者にとって不可欠なデバイスであり、回路の挙動を理解するのに役立ちます。測定機器の限界、プローブのゲインや帯域幅、チャネル入力インピーダンス、チャネルの最大入力電圧などを明確に理解することが非常に重要です。例えば、ほとんどのオシロスコープは高インピーダンス入力終端を使用する場合にのみACカップリングオプションを持っていますが、50オームではそうではありません。ここでは、信号のDCバイアスが入力電圧の限界を超えると、オシロスコープの入力チャネルが完全に損傷する可能性があります。

同時に、未知のまたは高いDCバイアスレベルを持つノイズ、電力分配ネットワーク上の過渡応答、または高速センサーデータを測定したい場合もあります。これには50オーム入力終端を使用する必要があります。それは、信号をまったく測定できないということでしょうか？答えは予想通り、「それによる」となります。これらの場合、過度なDCバイアス電圧からチャネルを保護するために、オシロスコープ入力にDCブロックフィルタを使用する必要があります。この記事では、自分で設計、シミュレーション、および検証できる設計を紹介します。

オシロスコーププローブ用DCブロックフィルタ

最近取り組んでいるプロジェクトは、電源、電力分配ネットワーク、および非常に高速な信号に関連しており、性能検証のための正確な測定が必要です。高性能プローブの使用は有害な影響を減らすのに役立ちますが、重要な信号測定のためには、プローブの影響や帯域幅の制限を排除するために、直接コアキシャルケーブルを介して基板をスコープに接続することを好みます。それにより、多くの受動プローブのような調整可能な減衰係数はもうありません。これは、限界を超える過電圧により、スコープの入力チャネルが脆弱になることを意味します。

DCフィルタ回路

残念ながら、私のオシロスコープは50オーム入力終端を使用した場合の最大±5Vの制限があり、5Vを超えるDCバイアスを持つノイズや信号を測定する必要がある場合、スコープを損傷することになります。市販のDCブロックフィルタはたくさんありますが、それはあまり楽しくありません。DCブロックフィルタは単なるRCハイパスフィルタであり、式の中の抵抗はスコープの50オーム終端です。したがって、信号と直列に単一のキャパシタを使用して、シンプルで効果的なブロックフィルタを構築することができます。

上のスクリーンショットで見ることができるように、DCブロックフィルターにはそれほど多くのコンポーネントは必要ありません。ブロッキングキャパシタ（C1）が入力と出力の中間に信号と直列に配置されています。将来的にボードにさらなる機能を追加する可能性を考慮して、ブロッキングキャパシタの両側に追加の0402パッドが2つ追加されていますが、これらは実装されません。製造されたPCBに後からパッドを追加することはできないため、ボードの不動産が十分にある場合は、必須の機能と性能に影響を与えない限り、必要な修正や改善のためにいくつかのフリーパッドを持っておくことが常に良い習慣です。

PCBレイアウト

レイアウトの観点から見れば比較的シンプルなボードですが、特に6GHzを超える目標周波数を考慮すると、信号整合性を向上させるためにいくつかの調整が必要です。高周波数・高帯域幅の信号は、経路を通じてできるだけ少ない乱れを持つことが重要であり、これはスタブやインピーダンスの不連続を最小限にすることを意味します。このため、0402パッドは50オームのトラックと同じ幅に変更され、コンポーネントを確実に保持するために十分なペーストが確保されています。 さらに、SMAコネクタの導体の下にあるトップレイヤーにポリゴンカットアウトを追加し、より良いインピーダンスマッチのために寄生容量を減らしました。この話題について言及している間に、SMAコネクタがボードにしっかりとフィットせず、パッドが小さいと十分なはんだがないために信頼性の問題が発生した以前の問題がありましたので、少し大きめのパッドを好むようになりました。最終的に、これは設計ライフサイクル中にデザイナーが直面するかもしれないエンジニアリングの妥協の一つに過ぎませんが、注記する価値があります。レイアウトに関する最終的なポイントとして、ボードの周りでエネルギーが跳ね返る内部の空洞がないことを確認し、層の結合を増加させるために多くのステッチングビアが追加されています。

Altium Designerは、最初に使用し始めた瞬間から私が愛してやまない素晴らしい機能を持っています：パネル化。これにより、同じスタックアップを共有する限り、一つのボードを別のボードに埋め込むことによってカスタマイズされたパネルを作成することができます。下の私のパネルのスクリーンショットを一見してください。それらがパネルに45度の角度で埋め込まれていることがすぐにわかります。

世界中の全ての製造工場でコスト効率が良く広く入手可能な標準FR4誘電体は、多くのアプリケーションにとって完璧で、多くの私たちにとっては当然の選択です。しかし、それはエポキシ充填剤を持つ織りガラス繊維の束で形成されており、これら二つの材料の誘電率は非常に異なります。そうは言っても、誘電率の変動は様々な設計においては無視できるものですが、信号の立ち上がり時間や帯域幅が高い場合や、アナログ信号の波長が織り目のキャビティサイズに似ている場合には、より重要になります。このため、FR4はRFや非常に高周波のボードには好まれず、一般にはるかに高価なより均一な材料が選ばれます。

それにもかかわらず、私はDCブロックフィルターに標準FR4を使用しています。私のオシロスコープの最大6GHz帯域幅を超えても性能が良いことを望んでいます。コストや材料の入手性のために、プロトタイピングに非標準の誘電体を使用することは常に可能ではありません。そのため、重要な信号のジグザグ配線や、パネルの角度を変える配置は、繊維の織り目効果を減らすための迅速な回避策になり得ます - これは単なるもう一つのエンジニアリングのトレードオフです。ボードを角度に置くことで、すべてのボードの伝送線を通る繊維束と樹脂の均一な分布を保証し、結果として、一部のボードが繊維の束に、他のボードが樹脂に信号が乗ることによるボード間の性能の違いを避けることができます。

回路シミュレーションとコンポーネントテスト

フィルターコンポーネント値の理論計算は、テスト機器の画面で何を期待するかを導く素晴らしい出発点です。理想的なコンポーネントを使用することは常に現実的ではないかもしれませんが、応答を見るためにシミュレートする方が常に良いです。しかし、コンポーネント固有のモデルと寄生効果を含めるべきです。

Altiumの統合シミュレーションツールを使用して、フィルターの性能を推定することができます。私たちは、DCブロックフィルターによって減衰される周波数を教えてくれるカットオフ周波数を持つハイパス応答を探しています。計算によると、30pFのキャパシターは約50MHzのカットオフ周波数を持つように選択され、Altiumシミュレーションツールの結果はこれが事実であることを示しています。

私たちは皆、現実世界に理想的なコンポーネントは存在しないことをよく知っています。残念ながら、すべての基板には寄生容量と寄生インダクタンスがあります。私は、基板の現実の寄生を測定するために、Rohde & Schwarz LCX200高精度LCRメーターを使用しています。SMAコネクタにピンヘッダーをいくつかはんだ付けし、LCRメーターのスルーホールフィクスチャに基板を簡単に取り付けられるようにしました。LCX200を使用すると、導体とグラウンドの間の容量だけでなく、寄生効果を含む直列容量も測定でき、それぞれ5.8pFと32pFです。

これで、現実の基板効果を反映するようにシミュレーションを更新できます。シミュレーションの直列コンデンサを32pFに変更し、遮断コンデンサの両側に導体からグラウンドへの容量の半分を追加すると、新しい現実的なカットオフ周波数は約54MHzになります。

基板のテスト

予想される結果についての洞察を得た後（Dr.Bogatinの経験則＃9：期待する結果を事前に予測せずに測定やシミュレーションを行わない）、この基板をテストしてシミュレーションを検証し、上限周波数を確認する時が来ました。この基板にはベクトルネットワークアナライザが適切な機器です。私は、最大周波数が8.5 GHzのRohde & Schwarz ZNB8 4ポートVNAを使用しています。機器を校正した後、テスト基板に接続するケーブルでDCブロックフィルタ基板を接続できます。

較正直後には、DCブロッキングフィルターのカットオフ周波数を見てみましょう。トレースに-3dBポイントを探すマーカーを追加し、私のVNAでは約51MHz周辺であることが示されました。これはシミュレーションとよく一致しています。50MHz未満の任意の周波数は、かなりの減衰を受けることになります。しかし、このフィルターの通過帯域が信号に対してかなり透明であるべきだということを確認することが重要です。開始周波数を75MHzに、停止周波数を8.5GHzに変更して、重度の低周波減衰エリアを画面外に移動させます。幸いにも、-3dBポイント検索の結果はなく、7.6GHzに最小ピークがあり、それは-3dBポイントよりわずかに上です。これはかなり満足のいく結果であり、私が関心を持っている周波数範囲の損失は、私のテスト結果に影響を与えません。

このボードはMITライセンスの下でオープンソースです。私のGitHubでAltiumプロジェクトファイルを入手し、DCブロックフィルターを購入するコストの一部でボードを製造できます。Altiumのシミュレーションツールを使用して、必要なカットオフ周波数に適した値を決定するために異なるキャパシターを試してみてください。私はこのボードの第二版も公開しており、それには2つの直列コンポーネント用のスペースがあり、信号に減衰を追加する必要がある場合や、より複雑なフィルターを構築したい場合に最適です。

自分自身のフィルターを設計する際に心に留めておくべき最後の注意点は、理想的にはRF用途に適した高品質のキャパシターを使用することです。私のように高周波数まで対応するDCブロックフィルターが必要な場合です。もう一つの考慮事項は、ブロッキングキャパシターの電圧定格です。これらは0402サイズのキャパシターだけなので、ブロッキング周波数を下げるためにより大きなキャパシター値を使用すると、すぐに電圧定格が低いキャパシターを見つけることになります。

信頼性の高い電力エレクトロニクスや先進的なデジタルシステムを構築する必要がある場合でも、Altium Designer®の完全なPCB設計機能セットと世界クラスのCADツールを使用してください。今日のクロスディシプリナリーな環境でのコラボレーションを実装するために、革新的な企業はAltium 365™プラットフォームを使用して設計データを簡単に共有し、プロジェクトを製造に移行しています。

Altium DesignerとAltium 365で可能なことの表面をかすめただけです。今日Altium Designer + Altium 365の無料トライアルを開始してください。