Дизайн фильтра постоянного тока

Осциллографы являются жизненно важными устройствами для разработчиков аппаратного обеспечения, позволяя им понять, как ведет себя схема. Очень важно четко понимать пределы вашего измерительного оборудования, включая датчики, такие как усиление и полоса пропускания датчика, входное сопротивление канала и максимальное входное напряжение канала. Например, большинство осциллографов имеют опцию AC-связи только при использовании входного завершения с высоким сопротивлением, но не для 50 Ом, где любое постоянное напряжение смещения, превышающее предел входного напряжения на вашем сигнале, может полностью повредить входной канал осциллографа.

В то же время, вы все еще можете захотеть измерить шум, переходную характеристику в сети распределения питания или данные высокоскоростных датчиков с неизвестным или высоким уровнем постоянного смещения, требующие использования входного завершения 50 Ом. Значит ли это, что вы не можете измерить сигнал вообще? Ответ, неудивительно, будет: "Это зависит". В этих случаях на входе осциллографа должен использоваться фильтр блокировки постоянного тока для защиты канала от чрезмерного напряжения постоянного смещения. В этой статье мы покажем вам, как спроектировать, смоделировать и проверить дизайн, который вы можете собрать самостоятельно.

Фильтр блокировки постоянного тока для датчиков осциллографа

Недавние проекты, над которыми я работал, связаны с источниками питания, сетями распределения питания и некоторыми очень высокоскоростными сигналами, и они требуют точных измерений для проверки производительности. Хотя использование высококачественного датчика поможет уменьшить негативные эффекты, я предпочитаю напрямую подключать плату к осциллографу через коаксиальный кабель для измерения критически важных сигналов, исключая любые эффекты датчика и ограничения полосы пропускания из уравнения. Таким образом, больше нет регулируемого коэффициента ослабления, как у многих пассивных датчиков, делая входной канал осциллографа уязвимым для перенапряжения, превышающего предел.

Схема фильтра постоянного тока

К сожалению, мои осциллографы имеют ограничение в ±5В максимум при использовании входного завершения 50 Ом, что означает, что я повредил бы осциллограф, если бы мне нужно было измерить шум или сигнал с постоянным смещением более 5В. Существует множество готовых фильтров блокировки постоянного тока, которые можно приобрести. Однако это не так весело. Фильтр блокировки постоянного тока - это всего лишь высокочастотный фильтр RC, при этом сопротивление 50 Ом на осциллографе является резистором в формуле. Таким образом, мы можем построить простой и эффективный блокирующий фильтр с одним конденсатором, включенным последовательно с сигналом.

Как вы можете видеть на скриншотах выше, для нашего фильтра постоянного тока не требуется слишком много компонентов. Блокирующий конденсатор (C1) размещается последовательно с сигналом посередине между входом и выходом. Чтобы дать плате больше потенциальных возможностей для будущего использования, с обеих сторон блокирующего конденсатора были добавлены две дополнительные площадки 0402, которые не будут заполнены. Поскольку нет возможности добавить площадки на уже изготовленную печатную плату позже, при условии, что достаточно свободного места на плате, всегда хорошая практика иметь некоторые свободные площадки для любых необходимых доработок или улучшений, до тех пор пока это не влияет на обязательные функции и производительность.

Разметка ПП

Хотя с точки зрения разметки это довольно простая плата, все же есть некоторые корректировки, чтобы она лучше работала с точки зрения целостности сигнала, особенно когда рассматривается целевая частота более 6 ГГц. Важно, чтобы сигнал высокой частоты – высокой пропускной способности имел как можно меньше помех на пути, что означает, что стабы и разрывы импеданса должны быть минимизированы. Из-за этого площадка 0402 была изменена так, чтобы ее ширина соответствовала 50-омной дорожке, обеспечивая при этом достаточно паяльной пасты для надежного удержания компонента на месте. Кроме того, я добавил вырез полигона на верхнем слое под проводником SMA-коннектора для уменьшения паразитной емкости для лучшего согласования импеданса. Пока мы на эту тему, у меня были предыдущие проблемы с тем, что SMA-коннекторы не плотно прилегали к плате и имели проблемы с надежностью, так как паяльной пасты было недостаточно, если площадка меньше, поэтому я предпочитал иметь немного большую площадку. В конечном итоге, это всего лишь один из инженерных компромиссов, с которыми может столкнуться дизайнер в течение жизненного цикла проекта, но это стоит отметить. В качестве последнего пункта по разметке, было добавлено множество сквозных переходов для увеличения связи слоев для обеспечения безупречного пути возврата вокруг платы и чтобы никакие внутренние полости не отражали энергию.

Altium Designer имеет фантастическую функцию, которая мне понравилась с первого момента использования: панелизация. Это позволяет нам создавать настраиваемые панели, встраивая одну плату в другую, при условии, что они имеют одинаковую структуру слоев. Взгляните на скриншоты моих панелей ниже. Вы быстро поймете, что они встроены под углом в 45 градусов в панель.

Стандартный диэлектрик FR4, который является экономичным и широко доступным во всех производственных мощностях по всему миру, является очевидным выбором для многих из нас; он идеален для множества приложений. Однако он состоит из переплетенных волокон стекловолокна с эпоксидной заливкой, и диэлектрические постоянные этих двух материалов очень различаются. Сказав это, хотя вариация диэлектрической постоянной незначительна для различных конструкций, она становится более критичной, когда время нарастания или полоса пропускания сигнала высоки или даже когда длина волны аналогового сигнала схожа с размером полости в переплетении. Из-за этого FR4 не предпочтителен для плат РЧ или очень высоких частот; вместо этого выбирается более однородный материал, который, как правило, значительно дороже.

Тем не менее, я использую стандартный FR4 для моего фильтра блокировки постоянного тока. Я хочу, чтобы конструкция работала хорошо за пределами максимальной полосы пропускания 6 ГГц моего осциллографа. Не всегда возможно использовать нестандартный диэлектрик для создания прототипов из-за стоимости или доступности материалов. Поэтому зигзагообразная трассировка для критически важных сигналов или угловое размещение панелей может быть быстрым решением для уменьшения эффекта волоконной переплетенности – это всего лишь один из инженерных компромиссов. Размещение моих плат под углом обеспечит равномерное распределение пучков волокон и смолы по линии передачи для всех плат, что означает, что мы не столкнемся с ситуацией, когда некоторые платы имеют сигналы, расположенные на волокне, а другие – на смоле, что приводит к различиям в производительности между платами.

Симуляция схемы и тестирование компонентов

Теоретические расчеты значений компонентов фильтра являются отличной отправной точкой, и они помогут вам понять, чего ожидать на экране испытательного оборудования. Всегда лучше провести симуляцию, чтобы увидеть ответ, хотя использование идеальных компонентов может не всегда быть реалистичным. Однако следует учитывать модели, специфичные для компонентов, и паразитные эффекты. Мы можем использовать интегрированные инструменты симуляции Altium для оценки производительности фильтра. Мы ищем высокочастотный отклик, и частота среза скажет нам, какие частоты будут ослаблены нашим фильтром блокировки постоянного тока. Конденсатор на 30 пФ выбран для обеспечения частоты среза около 50 МГц согласно расчетам, и результат симуляции Altium показывает, что это так.

Все мы прекрасно знаем, что в реальном мире не существует идеальных компонентов. К сожалению, все платы обладают паразитной ёмкостью и индуктивностью. Я использую свой высокоточный LCR-метр Rohde & Schwarz LCX200 для измерения реальных паразитных параметров платы. Я припаял пару штырьковых разъёмов к SMA-коннекторам, чтобы легко установить плату в приспособление для сквозного монтажа моего LCR-метра. LCX200 позволяет мне измерять ёмкость между проводником и землёй в дополнение к последовательной ёмкости, включая паразитные эффекты, которые составляют 5.8 пФ и 32 пФ соответственно.

Теперь я могу обновить симуляцию, чтобы отразить реальные эффекты платы. Изменение последовательного конденсатора в симуляции на 32 пФ, а затем добавление половины ёмкости между проводником и землёй с каждой стороны нашего блокирующего конденсатора приведёт к новой реалистичной частоте среза примерно 54 МГц.

Тестирование печатной платы

Получив некоторые представления о ожидаемых результатах (Правило большого пальца №9 от доктора Богатина: никогда не проводите измерение или симуляцию, не предвидев сначала результаты, которые вы ожидаете увидеть), пришло время протестировать эту плату, чтобы подтвердить симуляцию и увидеть верхний предел частоты. Векторный анализатор сетей — это подходящее оборудование для этой платы. Я использую 4-портовый VNA Rohde & Schwarz ZNB8 с максимальной частотой 8,5 ГГц. После калибровки прибора мы можем подключить плату с DC-блокирующим фильтром к кабелям, которые мы прикрепим к тестируемой плате.

Сразу после калибровки давайте посмотрим на частоту среза фильтра постоянного тока. Я добавил маркер для поиска точки -3 дБ на графике, и мой векторный анализатор показал, что она находится около 51 МГц, что хорошо согласуется с моделированием. Любая частота ниже 50 МГц будет подвергаться значительному ослаблению. Тем не менее, важно проверить, что полоса пропускания этого фильтра должна быть достаточно прозрачной для сигнала. Я изменил начальную частоту на 75 МГц и конечную частоту на 8,5 ГГц, чтобы переместить область сильного ослабления низких частот за пределы экрана. К счастью, поиск точки -3 дБ не дал результатов, и у нас есть минимальный пик на 7,6 ГГц, немного выше точки -3 дБ. Это довольно удовлетворительный результат, и потери в диапазоне интересующих меня частот не повлияют на результаты моих испытаний.

Эта плата является открытой по лицензии MIT; вы можете скачать файлы проекта Altium на моем GitHub и изготовить свои платы за долю стоимости покупки фильтра постоянного тока. Используйте инструменты моделирования Altium, чтобы попробовать разные конденсаторы и определить подходящее значение для нужной вам частоты среза. Я также опубликовал вторую версию этой платы, на которой есть место для двух последовательно соединенных компонентов, что идеально, если вам также нужно добавить ослабление сигнала или хотите построить более сложный фильтр.

Окончательное замечание, которое следует учитывать при проектировании собственного фильтра, - использовать высококачественные конденсаторы, идеально подходящие для использования в РЧ, если вам нужен фильтр постоянного тока, который может работать на высоких частотах, как мой. Еще один аспект, на который следует обратить внимание, - это номинальное напряжение блокирующих конденсаторов. Это конденсаторы размером только 0402, поэтому, если вы используете конденсаторы большего номинала для снижения частоты блокировки, вы скоро обнаружите, что у вас будут конденсаторы с гораздо более низким номинальным напряжением.

Независимо от того, нужно ли вам строить надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными о проектировании и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.