DC 블록 필터 설계

오실로스코프는 하드웨어 디자이너에게 필수적인 장치로, 회로가 어떻게 동작하는지 이해할 수 있게 해줍니다. 측정 장비의 한계를 명확히 이해하는 것이 매우 중요합니다. 여기에는 프로브의 이득과 대역폭, 채널 입력 임피던스, 채널의 최대 입력 전압 등이 포함됩니다. 예를 들어, 대부분의 오실로스코프는 고임피던스 입력 종단을 사용할 때만 AC 결합 옵션을 가지고 있지만, 50 옴에서는 그렇지 않으며, 신호의 입력 전압 한계를 초과하는 어떤 DC 바이어스도 오실로스코프의 입력 채널을 완전히 손상시킬 수 있습니다.

동시에, 높거나 알 수 없는 DC 바이어스 레벨을 가진 노이즈, 전력 분배 네트워크의 과도 응답, 또는 고속 센서 데이터를 측정하고 싶을 수도 있습니다. 이는 50-옴 입력 종단을 사용해야 한다는 것을 의미합니다. 그렇다면 전혀 신호를 측정할 수 없는 것일까요? 대답은 예상대로 "그것은 달렸다"가 될 것입니다. 이러한 경우에는 과도한 DC 바이어스 전압으로부터 채널을 보호하기 위해 오실로스코프 입력에 DC 블록 필터를 사용해야 합니다. 이 글은 여러분이 직접 설계, 시뮬레이션, 검증할 수 있는 디자인을 보여줄 것입니다.

오실로스코프 프로브용 DC 블록 필터

최근에 저는 전원 공급 장치, 전력 분배 네트워크 및 일부 매우 고속 신호와 관련된 프로젝트를 진행하고 있으며, 이들은 성능 검증을 위한 정밀한 측정을 요구합니다. 고급 프로브를 사용하면 부정적인 영향을 줄일 수 있지만, 중요한 신호 측정의 경우 프로브의 영향과 대역폭 제한을 방정식에서 제거하기 위해 보드를 동축 케이블을 통해 직접 스코프에 연결하는 것을 선호합니다. 그렇게 되면 많은 수동 프로브처럼 조절 가능한 감쇠 요소가 더 이상 없어, 한계를 초과하는 과전압으로 인해 스코프의 입력 채널이 취약해집니다.

DC 필터 회로

불행히도, 제 오실로스코프는 50-옴 입력 종단을 사용할 때 ±5V의 최대 한계를 가지고 있어, 5V를 초과하는 DC 바이어스를 가진 노이즈나 신호를 측정해야 한다면 스코프를 손상시킬 것입니다. 구매할 수 있는 다양한 완제품 DC 블록 필터가 있습니다. 하지만, 그것은 별로 재미가 없습니다. DC 블록 필터는 단지 RC 고역 통과 필터이며, 공식에서 스코프의 50-옴 종단이 저항입니다. 따라서, 신호와 직렬로 단일 커패시터를 사용하여 간단하고 효과적인 블록 필터를 구축할 수 있습니다.

위의 스크린샷에서 볼 수 있듯이, 우리의 DC 블록 필터에 필요한 구성 요소는 많지 않습니다. 차단 캐패시터(C1)가 입력과 출력의 중간에 신호와 직렬로 배치됩니다. 보드에 더 많은 잠재적 기능을 제공하기 위해, 차단 캐패시터 양쪽에 추가적인 0402 패드 두 개가 추가되었으며, 이는 채워지지 않을 것입니다. 제조된 PCB에 나중에 패드를 추가할 수 있는 가능성이 없기 때문에, 보드 공간이 충분하다면, 필수 기능과 성능에 영향을 주지 않는 한, 필요한 재작업이나 개선을 위해 몇몇 빈 패드를 가지고 있는 것이 항상 좋은 관행입니다.

PCB 레이아웃

레이아웃 관점에서 비교적 간단한 보드이지만, 특히 6GHz 이상의 목표 주파수를 고려할 때 신호 무결성을 높이기 위해 몇 가지 조정이 필요합니다. 고주파수 – 고대역폭 신호는 경로를 통해 가능한 한 적은 방해를 받아야 하므로, 스터브와 임피던스 불연속성은 최소화되어야 합니다. 이 때문에, 0402 패드가 50옴 트랙과 같은 너비로 수정되었으며 구성 요소를 안전하게 고정할 수 있을 만큼 충분한 페이스트를 확보했습니다. 추가적으로, SMA 커넥터의 도체 아래 상단 레이어에 폴리곤 컷아웃을 추가하여 더 나은 임피던스 매칭을 위해 기생 커패시턴스를 줄였습니다. 이와 관련하여, SMA 커넥터가 보드에 단단히 맞지 않고 패드가 작아 납이 충분하지 않아 신뢰성 문제가 있었던 이전 문제가 있었기 때문에, 약간 더 큰 패드를 선호했습니다. 결국, 이것은 설계 수명주기 동안 디자이너가 직면할 수 있는 공학적 타협 중 하나일 뿐이지만, 주목할 가치가 있습니다. 레이아웃과 관련하여 마지막으로, 보드 주변에 완벽한 반환 경로를 보장하고 내부 공동이 에너지를 반사하지 않도록 레이어의 결합을 증가시키기 위해 많은 스티칭 비아를 추가했습니다.

Altium Designer는 처음 사용하기 시작했을 때부터 저를 매료시킨 환상적인 기능을 가지고 있습니다: 패널화. 이를 통해 같은 스택업을 공유하는 한 보드를 다른 보드에 45도 각도로 내장하여 맞춤형 패널을 생성할 수 있습니다.

비용 효율적이고 전 세계의 모든 제조 공장에서 널리 사용 가능한 표준 FR4 유전체는 많은 우리에게 당연한 선택입니다; 많은 응용 프로그램에 완벽합니다. 그러나 이것은 직물 유리 섬유와 에폭시 필러로 구성되어 있으며, 이 두 재료의 유전 상수는 매우 다릅니다. 이렇게 말했지만, 다양한 설계에서 유전 상수의 변화는 무시할 수 있지만, 신호의 상승 시간이나 대역폭이 높거나 아날로그 신호의 파장이 직물의 공동 크기와 유사할 때는 더 중요해집니다. 이 때문에 FR4는 RF 또는 매우 고주파 보드에 선호되지 않으며, 대신 일반적으로 훨씬 더 비싼 균질한 재료가 선택됩니다.

이에도 불구하고, 저는 내 DC 차단 필터에 표준 FR4를 사용하고 있습니다. 저는 내 오실로스코프의 최대 6GHz 대역폭을 넘어서도 설계가 잘 작동하기를 원합니다. 비용이나 재료의 가용성 때문에 프로토타이핑을 위해 비표준 유전체를 사용하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 따라서 중요 신호의 지그재그 라우팅이나 각도가 있는 패널 배치는 섬유 직물 효과를 줄이는 빠른 해결책이 될 수 있습니다 - 이것은 또 다른 엔지니어링의 타협입니다. 내 보드를 각도에 놓으면 모든 보드의 전송 라인을 통해 섬유 묶음과 수지의 균일한 분포를 보장하여, 일부 보드는 섬유 가닥 위에 신호가 있고 다른 보드는 수지 위에 있어 보드 간 성능 차이가 발생하는 것을 방지할 수 있습니다.

회로 시뮬레이션 및 구성 요소 테스트

필터 구성 요소 값에 대한 이론적 계산은 훌륭한 출발점이며, 테스트 장비 화면에서 무엇을 기대해야 할지 안내할 것입니다. 이상적인 구성 요소를 사용하는 것이 항상 현실적이지는 않더라도 반응을 보기 위해 시뮬레이션하는 것이 항상 더 낫습니다. 그러나 구성 요소별 모델과 기생 효과를 포함해야 합니다. 

우리는 Altium의 통합 시뮬레이션 도구를 사용하여 필터의 성능을 추정할 수 있습니다. 우리는 고역 통과 응답을 찾고 있으며, 차단 주파수는 DC 차단 필터에 의해 어떤 주파수가 감쇠될지 알려줄 것입니다. 계산에 따르면 30pF 커패시터는 약 50MHz의 차단 주파수를 가지도록 선택되었으며, Altium 시뮬레이션 도구 결과는 이를 보여줍니다. 

우리 모두 잘 알고 있듯이 실제 세계에는 이상적인 부품이 없습니다. 불행히도 모든 보드에는 기생 용량과 인덕턴스가 있습니다. 저는 보드의 실제 기생 효과를 측정하기 위해 Rohde & Schwarz LCX200 고정밀 LCR 미터를 사용하고 있습니다. SMA 커넥터에 핀 헤더를 몇 개 납땜하여 LCR 미터의 관통 홀 픽스처에 보드를 쉽게 장착할 수 있도록 했습니다. LCX200을 사용하면 도체와 접지 사이의 용량뿐만 아니라 기생 효과를 포함한 직렬 용량도 측정할 수 있으며, 각각 5.8pF와 32pF입니다.

이제 실제 보드 효과를 반영하여 시뮬레이션을 업데이트할 수 있습니다. 시뮬레이션에서 직렬 캐패시터를 32pF로 변경한 다음 차단 캐패시터 양쪽에 도체 대 접지 용량의 절반을 추가하면 대략 54MHz의 새로운 현실적인 컷오프 주파수가 됩니다.

회로 기판 테스트

예상 결과에 대한 몇 가지 통찰을 얻은 후(드.보가틴의 엄지손가락 법칙 #9: 기대하는 결과를 먼저 예상하지 않고 측정이나 시뮬레이션을 수행하지 마십시오), 이제 이 보드를 테스트하여 시뮬레이션을 검증하고 상한 주파수를 확인할 시간입니다. 이 보드에는 벡터 네트워크 분석기가 적합한 장비입니다. 저는 최대 주파수가 8.5 GHz인 Rohde & Schwarz ZNB8 4-포트 VNA를 사용하고 있습니다. 기기를 보정한 후, 테스트 보드에 연결할 케이블과 함께 DC 블록 필터 보드를 연결할 수 있습니다.

보정 직후, DC 차단 필터의 차단 주파수를 살펴보겠습니다. -3dB 지점을 찾기 위해 트레이스에 마커를 추가했고, 제 VNA는 그것이 약 51MHz 주변임을 보여주었는데, 이는 시뮬레이션과 잘 일치합니다. 50MHz보다 낮은 주파수는 상당한 양의 감쇠를 받게 됩니다. 그러나 이 필터의 통과 대역 영역이 신호에 대해 상당히 투명해야 한다는 것을 확인하는 것이 중요합니다. 저는 시작 주파수를 75MHz로, 정지 주파수를 8.5GHz로 변경하여 심각한 저주파 감쇠 영역을 화면 밖으로 이동시킵니다. 다행히 -3dB 지점 검색 결과는 없으며, 우리는 7.6GHz에서 최소 피크를 가지고 있는데, 이는 -3dB 지점보다 약간 높습니다. 이는 상당히 만족스러운 결과이며, 제가 관심 있는 주파수 범위에서의 손실은 제 테스트 결과에 영향을 미치지 않을 것입니다.

이 보드는 MIT 라이선스에 따라 오픈 소스이며, GitHub에서 Altium 프로젝트 파일을 가져와 DC 차단 필터를 구매하는 비용의 일부로 보드를 제작할 수 있습니다. Altium의 시뮬레이션 도구를 사용하여 필요한 차단 주파수에 맞는 적절한 값의 커패시터를 결정해 보세요. 저는 또한 신호에 감쇠를 추가하거나 더 복잡한 필터를 구축하고 싶은 경우에 적합한 두 개의 직렬 구성 요소에 대한 공간이 있는 이 보드의 두 번째 버전을 출시했습니다.

자체 필터를 설계할 때 염두에 두어야 할 최종 메모는 고주파수로 갈 수 있는 DC 차단 필터가 필요한 경우 RF 용도로 의도된 고품질 커패시터를 사용하는 것입니다. 또 다른 고려 사항은 차단 커패시터의 전압 등급입니다. 이들은 단지 0402 크기의 커패시터이므로, 차단 주파수를 줄이기 위해 더 큰 커패시터 값을 사용하면 곧 훨씬 낮은 전압 등급의 커패시터를 발견하게 될 것입니다.

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