Thiết kế Bộ lọc Chặn DC

Oscilloscope là thiết bị không thể thiếu đối với các nhà thiết kế phần cứng, giúp họ hiểu được cách mạch hoạt động. Việc hiểu rõ giới hạn của thiết bị đo lường, bao gồm cả các đầu dò như độ lợi và băng thông của đầu dò, trở kháng đầu vào của kênh, và điện áp đầu vào tối đa của kênh là rất quan trọng. Ví dụ, hầu hết các oscilloscope chỉ có tùy chọn ghép nối AC khi sử dụng kết thúc đầu vào có trở kháng cao nhưng không phải cho 50 Ohm, nơi mà bất kỳ độ lệch DC nào vượt quá giới hạn điện áp đầu vào trên tín hiệu của bạn có thể hoàn toàn hỏng kênh đầu vào của oscilloscope.

Đồng thời, bạn có thể vẫn muốn đo nhiễu, phản ứng chuyển tiếp trên mạng phân phối điện, hoặc dữ liệu cảm biến tốc độ cao với mức độ lệch DC không xác định hoặc cao, yêu cầu bạn sử dụng kết thúc đầu vào 50-Ohm. Điều đó có nghĩa là bạn không thể đo tín hiệu chút nào sao? Câu trả lời sẽ không ngạc nhiên, "Tùy thuộc". Trong những trường hợp đó, một bộ lọc chặn DC phải được sử dụng trên đầu vào oscilloscope để bảo vệ kênh khỏi điện áp lệch DC quá mức. Bài viết này sẽ chỉ cho bạn cách thiết kế, mô phỏng, và xác nhận một thiết kế bạn có thể tự xây dựng.

Bộ Lọc Chặn DC cho Đầu Dò Oscilloscope

Các dự án gần đây mà tôi đã làm liên quan đến nguồn cung cấp điện, mạng phân phối điện, và một số tín hiệu tốc độ rất cao, và chúng yêu cầu các phép đo chính xác để xác nhận hiệu suất. Mặc dù sử dụng một đầu dò cao cấp sẽ giúp giảm bớt các tác động tiêu cực, tôi thích trực tiếp kết nối bảng mạch với oscilloscope thông qua cáp đồng trục để đo tín hiệu quan trọng, loại bỏ bất kỳ ảnh hưởng của đầu dò và giới hạn băng thông khỏi phương trình. Điều đó có nghĩa là không còn yếu tố suy giảm có thể điều chỉnh như nhiều đầu dò thụ động, khiến kênh đầu vào của oscilloscope dễ bị tổn thương bởi điện áp quá mức vượt quá giới hạn.

Mạch Lọc DC

Thật không may, oscilloscope của tôi có giới hạn ±5V tối đa khi sử dụng kết thúc đầu vào 50-Ohm, nghĩa là tôi sẽ làm hỏng oscilloscope nếu tôi cần đo nhiễu hoặc một tín hiệu với độ lệch DC trên 5V. Có rất nhiều bộ lọc chặn DC có sẵn trên thị trường có thể mua được. Tuy nhiên, điều đó không thú vị lắm. Một bộ lọc chặn DC chỉ là một bộ lọc cao qua RC, với trở kháng 50-ohm trong oscilloscope là trở kháng trong công thức. Do đó, chúng ta có thể xây dựng một bộ lọc chặn đơn giản và hiệu quả với một tụ điện mắc nối tiếp với tín hiệu.

Như bạn có thể thấy trong các ảnh chụp màn hình ở trên, không cần quá nhiều linh kiện cho bộ lọc DC block của chúng tôi. Một tụ điện chặn (C1) được đặt nối tiếp với tín hiệu ở giữa đầu vào và đầu ra. Để tăng thêm khả năng chức năng tương lai cho bảng mạch, hai pad 0402 bổ sung ở cả hai bên của tụ điện chặn đã được thêm vào, nhưng sẽ không được lắp đặt. Vì không thể thêm pad vào PCB đã sản xuất sau này, nên miễn là còn đủ diện tích bảng mạch, luôn là một thực hành tốt khi có một số pad trống cho bất kỳ công việc sửa chữa hoặc cải tiến nào cần thiết miễn là nó không ảnh hưởng đến các chức năng và hiệu suất bắt buộc.

Bố Cục PCB

Mặc dù đây là một bảng mạch khá đơn giản từ quan điểm bố cục, vẫn còn một số điều chỉnh để làm cho nó hoạt động tốt hơn khi xem xét đến tính toàn vẹn tín hiệu, đặc biệt là khi xem xét đến tần số mục tiêu hơn 6GHz. Điều quan trọng đối với tín hiệu tần số cao - băng thông cao là phải có càng ít sự gián đoạn càng tốt qua con đường, nghĩa là cần phải giảm thiểu các đoạn nối và sự không liên tục về trở kháng. Do đó, pad 0402 đã được chỉnh sửa để có cùng chiều rộng với đường truyền 50-ohm đồng thời đảm bảo đủ keo để giữ linh kiện cố định. Thêm vào đó, tôi đã thêm một lỗ cắt đa giác trên lớp trên cùng dưới dẫn của đầu nối SMA để giảm dung kháng nhiễu cho một sự khớp trở kháng tốt hơn. Trong khi chúng ta đang nói về vấn đề này, tôi đã gặp vấn đề trước đây với việc đầu nối SMA không gắn chặt vào bảng mạch và có vấn đề về độ tin cậy vì không đủ hàn nếu pad nhỏ hơn, vì vậy tôi đã ưu tiên có một pad hơi lớn hơn. Cuối cùng, đây chỉ là một trong những sự thỏa hiệp kỹ thuật mà một nhà thiết kế có thể phải đối mặt trong suốt chu kỳ thiết kế, nhưng đáng để lưu ý. Điểm cuối cùng liên quan đến bố cục, nhiều via ghép nối được thêm vào để tăng cường sự kết nối của các lớp nhằm đảm bảo một đường trở về không lỗi lầm xung quanh bảng mạch và không có khoang nội bộ nào làm năng lượng bị nảy lên.

Altium Designer có một tính năng tuyệt vời mà tôi đã yêu từ lần đầu tiên tôi bắt đầu sử dụng nó: tạo bảng ghép. Nó cho phép chúng tôi tạo ra các bảng tùy chỉnh bằng cách nhúng một bảng mạch vào bảng khác miễn là chúng chia sẻ cùng một cấu trúc xếp chồng. Hãy nhìn vào các ảnh chụp màn hình của bảng ghép của tôi dưới đây. Bạn sẽ nhanh chóng nhận ra chúng được nhúng ở góc 45 độ vào bảng.

Dielectric FR4 tiêu chuẩn, với giá cả phải chăng và sẵn có rộng rãi ở tất cả các nhà máy sản xuất trên toàn thế giới, là lựa chọn không cần suy nghĩ cho nhiều người trong chúng ta; nó hoàn hảo cho nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, nó được tạo thành từ các sợi thủy tinh dệt với chất độn epoxy, và hằng số điện môi của hai loại vật liệu này rất khác nhau. Nói như vậy, mặc dù sự biến đổi hằng số điện môi là không đáng kể cho nhiều thiết kế, nó trở nên quan trọng hơn khi thời gian tăng hoặc băng thông của tín hiệu cao hoặc thậm chí khi bước sóng của tín hiệu tương tự với kích thước khoang trong sợi dệt. Vì lý do này, FR4 không được ưa chuộng cho các bảng mạch RF hoặc tần số rất cao; thay vào đó, một vật liệu đồng nhất hơn được chọn lựa, thường là đắt đỏ hơn nhiều.

Mặc dù vậy, tôi đang sử dụng FR4 tiêu chuẩn cho bộ lọc chặn DC của mình. Tôi muốn thiết kế hoạt động tốt qua băng thông tối đa 6GHz của máy hiện sóng của tôi. Không phải lúc nào cũng có thể sử dụng dielectric không tiêu chuẩn cho việc chế tạo mẫu do chi phí hoặc khả năng có sẵn vật liệu. Do đó, định tuyến zig-zag cho các tín hiệu quan trọng hoặc đặt bảng mạch theo góc nghiêng có thể là một giải pháp nhanh chóng để giảm hiệu ứng sợi dệt – đó chỉ là một sự đánh đổi kỹ thuật khác. Đặt các bảng mạch của tôi theo một góc sẽ đảm bảo phân phối đồng đều các bó sợi và nhựa qua đường truyền tín hiệu cho tất cả các bảng mạch, nghĩa là chúng ta không kết thúc với một số bảng mạch có tín hiệu nằm trên một sợi thủy tinh và những bảng khác nằm trên nhựa, dẫn đến hiệu suất khác nhau giữa các bảng mạch.

Mô phỏng Mạch và Kiểm tra Linh kiện

Các tính toán lý thuyết cho giá trị linh kiện bộ lọc là điểm xuất phát tốt, và chúng sẽ hướng dẫn bạn qua những gì mong đợi trên màn hình thiết bị kiểm tra. Luôn tốt hơn khi mô phỏng để xem phản ứng, mặc dù sử dụng linh kiện lý tưởng có thể không luôn luôn thực tế. Tuy nhiên, cần phải bao gồm mô hình cụ thể của linh kiện và hiệu ứng nhiễu. 

Chúng ta có thể sử dụng các công cụ mô phỏng tích hợp của Altium để ước lượng hiệu suất của bộ lọc. Chúng tôi đang tìm kiếm một phản ứng cao qua, và tần số cắt sẽ cho chúng tôi biết những tần số nào sẽ bị bộ lọc chặn DC của chúng tôi giảm bớt. Tụ điện 30pF được chọn để có tần số cắt khoảng 50MHz theo tính toán, và kết quả công cụ mô phỏng của Altium cho thấy điều này là đúng. 

Chúng ta đều biết rằng thế giới thực không có linh kiện lý tưởng. Thật không may, tất cả các bảng mạch đều có dung lượng và cảm kháng nhiễu. Tôi đang sử dụng máy đo LCR chính xác cao Rohde & Schwarz LCX200 để đo các nhiễu thực tế của bảng mạch. Tôi đã hàn một vài chân cắm vào các đầu nối SMA để dễ dàng gắn bảng mạch vào bộ giữ qua lỗ của máy đo LCR của tôi. LCX200 cho phép tôi đo dung lượng giữa dẫn điện và mặt đất ngoài dung lượng nối tiếp, bao gồm cả hiệu ứng nhiễu, lần lượt là 5.8pF và 32pF.

Bây giờ, tôi có thể cập nhật mô phỏng để phản ánh hiệu ứng bảng mạch thế giới thực. Thay đổi tụ nối tiếp trong mô phỏng thành 32pF và sau đó thêm một nửa dung lượng từ dẫn điện đến mặt đất ở mỗi bên của tụ chặn của chúng tôi sẽ dẫn đến tần số cắt mới thực tế khoảng 54MHz.

Kiểm tra Bảng Mạch

Sau khi có một số hiểu biết về kết quả mong đợi (Quy tắc Ngón Tay #9 từ Dr.Bogatin: Không bao giờ thực hiện một phép đo hay mô phỏng mà không trước hết dự đoán kết quả bạn mong đợi thấy), đã đến lúc kiểm tra bảng mạch này để xác nhận mô phỏng và xem giới hạn tần số cao nhất. Một máy phân tích mạng vectơ là thiết bị phù hợp cho bảng mạch này. Tôi đang sử dụng máy phân tích mạng vectơ 4 cổng Rohde & Schwarz ZNB8 với tần số tối đa là 8.5 GHz. Sau khi hiệu chuẩn thiết bị, chúng ta có thể kết nối bảng mạch lọc DC với các cáp mà chúng ta sẽ gắn vào bảng mạch kiểm tra.

Sau khi hiệu chuẩn, hãy xem xét tần số cắt của bộ lọc chặn DC. Tôi đã thêm một điểm đánh dấu để tìm điểm -3dB trên đồ thị, và máy phân tích mạng vectơ (VNA) của tôi cho thấy nó ở khoảng 51MHz, phù hợp với kết quả mô phỏng. Bất kỳ tần số nào nhỏ hơn 50MHz sẽ bị suy giảm đáng kể. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải xác minh rằng khu vực băng thông của bộ lọc này nên khá trong suốt với tín hiệu. Tôi đang thay đổi tần số bắt đầu thành 75 Mhz và tần số dừng là 8.5GHz để di chuyển khu vực suy giảm tần số thấp nghiêm trọng ra khỏi màn hình. May mắn là không có kết quả nào cho việc tìm kiếm điểm -3dB, và chúng tôi có một đỉnh nhỏ nhất ở 7.6GHz, hơi cao hơn điểm -3dB. Đó là một kết quả khá hài lòng, và sự mất mát trong phạm vi tần số tôi quan tâm sẽ không ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm của tôi.

Mạch này là mã nguồn mở dưới giấy phép MIT; bạn có thể tải về các tệp dự án Altium trên GitHub của tôi và tự xây dựng bảng mạch của mình với chi phí chỉ bằng một phần so với việc mua một bộ lọc chặn DC. Sử dụng công cụ mô phỏng của Altium để thử nghiệm với các tụ điện khác nhau để xác định giá trị phù hợp cho tần số cắt bạn cần. Tôi cũng đã công bố phiên bản thứ hai của mạch này, có chỗ cho hai linh kiện nối tiếp, rất hoàn hảo nếu bạn cũng cần thêm suy giảm tín hiệu hoặc muốn xây dựng một bộ lọc phức tạp hơn.

Một lưu ý cuối cùng khi thiết kế bộ lọc của riêng bạn là sử dụng các tụ điện chất lượng cao, lý tưởng là những cái dành cho sử dụng RF, nếu bạn cần một bộ lọc chặn DC có thể đi đến các tần số cao như của tôi. Một yếu tố khác cần xem xét là điện áp định mức của các tụ điện chặn. Những tụ điện này chỉ có kích thước 0402, vì vậy nếu bạn sử dụng các giá trị tụ điện lớn hơn để giảm tần số chặn, bạn sẽ sớm phát hiện mình có các tụ điện với điện áp định mức thấp hơn nhiều.

Cho dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, sử dụng bộ đầy đủ các tính năng thiết kế PCB và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể làm được với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.