Projekt filtra blokującego prąd stały

Oscyloskopy są niezbędnymi urządzeniami dla projektantów sprzętu, pozwalającymi zrozumieć, jak zachowuje się obwód. Bardzo ważne jest, aby dokładnie rozumieć ograniczenia swojego sprzętu pomiarowego, w tym sondy, takie jak wzmocnienie sondy i pasmo przenoszenia, impedancja wejściowa kanału oraz maksymalne napięcie wejściowe kanału. Na przykład, większość oscyloskopów ma tylko opcję sprzężenia AC przy użyciu wysokoimpedancyjnego zakończenia wejściowego, ale nie dla 50 omów, gdzie jakiekolwiek napięcie stałe przekraczające limit napięcia wejściowego na sygnale może całkowicie uszkodzić wejściowy kanał oscyloskopu.

Jednocześnie, możesz nadal chcieć mierzyć szum, odpowiedź przejściową w sieci dystrybucji energii lub dane z czujników o wysokiej prędkości z nieznanym lub wysokim poziomem napięcia stałego, co wymaga użycia zakończenia wejściowego 50 omów. Czy to oznacza, że w ogóle nie można zmierzyć sygnału? Odpowiedź byłaby, jak można się spodziewać, "To zależy". W takich przypadkach należy użyć filtra blokującego DC na wejściu oscyloskopu, aby chronić kanał przed nadmiernym napięciem stałym. Ten artykuł pokaże Ci, jak zaprojektować, symulować i zweryfikować projekt, który możesz zbudować sam.

Filtr blokujący DC dla sond oscyloskopowych

Ostatnie projekty, nad którymi pracowałem, dotyczą zasilaczy, sieci dystrybucji energii i niektórych bardzo szybkich sygnałów, i wymagają precyzyjnych pomiarów do walidacji wydajności. Chociaż użycie sondy wysokiej klasy pomoże zredukować niekorzystne efekty, wolę bezpośrednie podłączenie płytki do oscyloskopu za pomocą kabla koncentrycznego do pomiaru krytycznych sygnałów, eliminując wszelkie efekty sondy i ograniczenia pasma z równania. To oznacza, że nie ma już regulowanego współczynnika tłumienia jak w wielu pasywnych sondach, co czyni wejściowy kanał oscyloskopu podatnym na przekroczenie limitu napięcia.

Obwód filtra DC

Niestety, moje oscyloskopy mają ograniczenie ±5V maksymalnie przy użyciu zakończenia wejściowego 50 omów, co oznacza, że uszkodziłbym oscyloskop, gdybym potrzebował zmierzyć szum lub sygnał z napięciem stałym powyżej 5V. Istnieje wiele gotowych filtrów blokujących DC, które można kupić. Jednak to nie taka zabawa. Filtr blokujący DC to po prostu filtr górnoprzepustowy RC, przy czym zakończenie 50 omów w oscyloskopie jest rezystorem w formule. Dlatego możemy zbudować prosty i skuteczny filtr blokujący z pojedynczym kondensatorem szeregowo z sygnałem.

Jak można zobaczyć na powyższych zrzutach ekranu, do naszego filtru blokującego DC nie jest potrzebnych zbyt wiele komponentów. Kondensator blokujący (C1) jest umieszczony szeregowo z sygnałem na środku między wejściem a wyjściem. Aby dać płytce więcej potencjalnych możliwości przyszłej funkcjonalności, dodano dwa dodatkowe pady 0402 po obu stronach kondensatora blokującego, które nie będą zaludnione. Ponieważ nie ma możliwości dodania padów do już wyprodukowanej PCB później, zapewnienie, że jest również wystarczająco dużo miejsca na płytce, to zawsze dobra praktyka mieć kilka wolnych padów na wszelkie wymagane przeróbki lub ulepszenia, o ile nie wpływa to na obowiązkowe funkcje i wydajność.

Układ PCB

Chociaż z punktu widzenia układu jest to dość prosta płyta, nadal istnieje kilka modyfikacji, które można wprowadzić, aby poprawić jej działanie pod kątem integralności sygnału, szczególnie gdy rozważana jest docelowa częstotliwość powyżej 6GHz. Ważne jest, aby sygnał o wysokiej częstotliwości – dużej przepustowości miał jak najmniej zakłóceń na swojej drodze, co oznacza, że należy zminimalizować występowanie sztyftów i nieciągłości impedancji. Z tego powodu pad 0402 został zmodyfikowany tak, aby miał tę samą szerokość co tor 50-omowy, jednocześnie zapewniając wystarczającą ilość pasty, aby bezpiecznie utrzymać komponent na miejscu. Dodatkowo, dodałem wycięcie poligonu na górnej warstwie pod przewodnikiem złącza SMA, aby zmniejszyć pojemność pasożytniczą dla lepszego dopasowania impedancji. Skoro już o tym mówimy, miałem wcześniej problemy z złączami SMA, które nie pasowały mocno do płyty i miały problemy z niezawodnością, ponieważ nie było wystarczająco dużo cyny, jeśli pad był mniejszy, więc wolałem mieć nieco większy pad. Ostatecznie jest to jeden z kompromisów inżynierskich, z którymi projektant może się zmierzyć podczas cyklu życia projektu, ale warto to zauważyć. Jako ostatni punkt dotyczący układu, dodano dużo przelotek, aby zwiększyć wiązanie warstw i zapewnić bezbłędną ścieżkę powrotną wokół płyty oraz aby żadne wewnętrzne przestrzenie nie odbijały energii.

Altium Designer ma fantastyczną funkcję, którą pokochałem od pierwszego momentu, kiedy zacząłem z niego korzystać: panelizacja. Pozwala nam tworzyć niestandardowe panele poprzez osadzanie jednej płyty w drugiej, o ile mają one tę samą strukturę warstw. Rzuć okiem na zrzuty ekranu moich paneli poniżej. Szybko zauważysz, że są one osadzone pod kątem 45 stopni w panelu.

Standardowy dielektryk FR4, który jest opłacalny i szeroko dostępny we wszystkich fabrykach na całym świecie, jest oczywistym wyborem dla wielu z nas; jest idealny dla wielu zastosowań. Jednakże, jest on tworzony z plecionych włókien szklanych z wypełniaczem epoksydowym, a stałe dielektryczne tych dwóch materiałów są bardzo różne. Mimo to, chociaż zmienność stałej dielektrycznej jest znikoma dla różnych projektów, staje się bardziej krytyczna, gdy czas narastania lub pasmo sygnału jest wysokie, a nawet gdy długość fali sygnału analogowego jest podobna do rozmiaru jamy w tkaninie. Z tego powodu FR4 nie jest preferowany dla płyt RF lub bardzo wysokich częstotliwości; zamiast tego wybiera się bardziej jednorodny materiał, który jest zazwyczaj znacznie droższy.

Mimo to, używam standardowego FR4 dla mojego filtra blokującego DC. Chcę, aby projekt działał dobrze poza maksymalnym pasmem 6GHz mojego oscyloskopu. Nie zawsze jest możliwe użycie niestandardowego dielektryka do prototypowania ze względu na koszt lub dostępność materiału. Dlatego zygzakowate prowadzenie krytycznych sygnałów lub ustawienie panelu pod kątem może być szybkim rozwiązaniem, aby zredukować efekt włókna tkaniny – to kolejny kompromis inżynierski. Umieszczenie moich płyt pod kątem zapewni jednolite rozłożenie wiązek włókien i żywicy przez linię transmisyjną dla wszystkich płyt, co oznacza, że nie skończymy z niektórymi płytami mającymi sygnały leżące na włóknie szklanym, a inne na żywicy, co skutkuje różnymi wynikami między płytami.

Symulacja obwodów i testowanie komponentów

Teoretyczne obliczenia wartości komponentów filtra są świetnym punktem wyjścia i poprowadzą cię przez to, czego można się spodziewać na ekranie sprzętu testowego. Zawsze lepiej jest symulować, aby zobaczyć odpowiedź, chociaż użycie idealnych komponentów może nie zawsze być realistyczne. Jednakże, powinny być uwzględnione modele specyficzne dla komponentów i efekty pasożytnicze.

Możemy użyć zintegrowanych narzędzi symulacyjnych Altium do oszacowania wydajności filtra. Szukamy odpowiedzi typu wysokoprzepustowego, a częstotliwość odcięcia powie nam, które częstotliwości będą tłumione przez nasz filtr blokujący DC. Kondensator 30pF jest wybrany, aby mieć częstotliwość odcięcia około 50MHz zgodnie z obliczeniami, a wynik narzędzia symulacyjnego Altium pokazuje, że tak jest.

Wszyscy doskonale wiemy, że w rzeczywistym świecie nie istnieją idealne komponenty. Niestety, wszystkie płytki posiadają pasożytniczą pojemność i indukcyjność. Używam mojego wysokiej precyzji miernika LCR Rohde & Schwarz LCX200 do mierzenia rzeczywistych pasożytnictw płytki. Przylutowałem kilka złączy pinowych do złącz SMA, aby łatwo umieścić płytę w oprawie przelotowej mojego miernika LCR. LCX200 pozwala mi zmierzyć pojemność między przewodnikiem a ziemią oprócz pojemności szeregowej, włączając w to efekty pasożytnicze, które wynoszą odpowiednio 5,8pF i 32pF.

Teraz mogę zaktualizować symulację, aby odzwierciedlić rzeczywiste efekty płytki. Zmiana kondensatora szeregowego w symulacji na 32pF, a następnie dodanie połowy pojemności przewodnik-do-ziemi po obu stronach naszego kondensatora blokującego, spowoduje w przybliżeniu nową realistyczną częstotliwość odcięcia 54MHz.

Testowanie płytki obwodu

Po uzyskaniu pewnych spostrzeżeń na temat oczekiwanych wyników (Zasada nr 9 dr Bogatina: Nigdy nie przeprowadzaj pomiaru ani symulacji bez wcześniejszego przewidywania oczekiwanych rezultatów), nadszedł czas, aby przetestować tę płytę w celu zweryfikowania symulacji i zobaczenia górnej granicy częstotliwości. Analizator sieci wektorowej jest odpowiednim sprzętem dla tej płytki. Używam analizatora sieci wektorowej Rohde & Schwarz ZNB8 z 4 portami i maksymalną częstotliwością 8,5 GHz. Po skalibrowaniu przyrządu możemy podłączyć płytę filtra DC block za pomocą kabli, które przyłączymy do testowanej płytki.

Tuż po kalibracji, spójrzmy na częstotliwość odcięcia filtra blokującego prąd stały. Dodałem znacznik, aby wyszukać punkt -3dB na wykresie, i mój analizator sieci wektorowej (VNA) pokazał, że jest to około 51MHz, co dobrze koreluje z symulacją. Każda częstotliwość poniżej 50MHz będzie podlegać dobrej ilości tłumienia. Jednak ważne jest, aby zweryfikować, że obszar pasma przepustowego tego filtra powinien być dość przejrzysty dla sygnału. Zmieniam częstotliwość początkową na 75 MHz i częstotliwość końcową na 8,5GHz, aby przesunąć obszar silnego tłumienia niskich częstotliwości poza ekran. Na szczęście nie ma wyniku dla wyszukiwania punktu -3dB, a mamy minimalny szczyt na 7,6GHz, nieco powyżej punktu -3dB. To jest całkiem zadowalający wynik, a strata w zakresie częstotliwości, który mnie interesuje, nie wpłynie na moje wyniki testów.

Ta płyta jest otwartym oprogramowaniem na licencji MIT; możesz pobrać pliki projektu Altium z mojego GitHuba i zbudować swoje płytki za ułamek kosztów zakupu filtra blokującego prąd stały. Użyj narzędzi symulacyjnych Altium, aby wypróbować różne kondensatory i określić odpowiednią wartość dla potrzebnej częstotliwości odcięcia. Opublikowałem również drugą wersję tej płytki, która ma miejsce na dwa komponenty szeregowe, co jest idealne, jeśli potrzebujesz również dodać tłumienie do sygnału lub chcesz zbudować bardziej złożony filtr.

Ostatnia uwaga, którą należy mieć na uwadze podczas projektowania własnego filtra, to użycie kondensatorów wysokiej jakości, idealnie tych przeznaczonych do użytku RF, jeśli potrzebujesz filtra blokującego prąd stały, który może osiągać wysokie częstotliwości, tak jak mój. Inną kwestią jest ocena napięcia blokujących kondensatorów. Są to tylko kondensatory o rozmiarze 0402, więc jeśli użyjesz większych wartości kondensatorów, aby obniżyć częstotliwość blokowania, szybko znajdziesz się z kondensatorami o znacznie niższej ocenie napięcia.

Bez względu na to, czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i narzędzi CAD klasy światowej w Altium Designer®. Aby w dzisiejszym środowisku wielodyscyplinarnym wdrożyć współpracę, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dotknęliśmy tylko powierzchni tego, co jest możliwe z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.