Steve Roach. Нормализация входного сигнала осциллографа и творческое начало (перевод)

Высокое сопротивление на высокой частоте: преобразователь импеданса

Традиционно осциллографы имеют входное сопротивление 1MΩ и несколько пикофарад входной ёмкости. Входного сопротивление 1MΩ в наибольшей степени влияет на коэффициент деления пассивных щупов, и, соответственно, должно быть точным и стабильным. Для поддержания точности входного сопротивления в осциллограф включают буфер с единичным усилением и очень высоким входным сопротивлением (см. рисунок 7-1). Этот буфер, чьё входное сопротивление превышает 100MΩ, а выходное, нагруженное на предусилитель, составляет около 50Ω, часто называют "преобразователем импеданса". В 500MHz осциллографе преобразователь импеданса может иметь рабочую полосу 1GHz и очень точно настроенную импульсную характеристику. Данный раздел показывает один из путей, позволяющий удовлетворить этим и многим другим требованиям, перечисленным на рисунке 7-1 (Rush 1986).

Единственным коммерчески доступным устройством, которое подходит для реализации преобразователя импеданса, является кремниевый полевой транзистор (FET). Для 500MHz прибора нам нужен истоковый повторитель с максимально возможной крутизной при минимально возможной ёмкости затвор-сток. Эти параметры настолько важны для 500MHz приборов, что разработчики прибегают к использованию МОП-транзисторов (MOSFET) с коротким каналом, несмотря на все их недостатки. Такие транзисторы имеют тонкую оксидную изоляцию затвора и очень высокую крутизну относительно входных ёмкостей. Они подвержены модулирующему воздействию изменения длины канала, которое имеет неприемлимо высокое влияние на проводимость исток-сток [* выходную]. МОП-транзисторы - устройства с поверхностным типом проводимости и изменение потенциала вывода управления, сопровождающееся перезарядкой ёмкости затвор-канал, порождает много шума вида 1/f. Шума 1/f в диапазоне от постоянного напряжения до 1MHz может быть столь же много, сколько теплового шума в диапазоне от постоянного напряжения до 500MHz. И, наконец, тонкий слой оксида под затвором очень легко повреждается электростатическими разрядами. Полевой транзистор с p-n переходом (JFET) в качестве истокового повторителя превосходит транзистор с изолированным каналом по всем параметрам, кроме быстродействия. Подводя итог, можно сказать, что на МОП-транзисторе с коротким каналом можно сделать плохой, но быстрый, повторитель и нам потребуется масса вспомогательных схем, чтобы он мог приемлимо работать в качестве преобразователя импеданса.

На рисунке 7-4 изображена предварительная схема повторителя с требуемым входным сопротивлением 1MΩ. Резистор в цепи затвора придаёт транзистору устойчивости. Рисунок 7-5 представляет линейную модель типичного высокочастотного МОП-транзистора с коротким каналом. Я предпочитаю эту модель привычной гибридной пи-модели, так как на ней сразу видно, что выходное сопротивление истока равно 1/g_m. На рисунке 7-6 показана модель МОП-транзистора с учётом параметров корпуса для поверхностного монтажа. Маленькие ёмкости и индуктивности отражают геометрические эффекты собственно корпуса и его окружения. Эти небольшие компоненты называют "паразитными", чтобы отметить крайнюю нежелательность их присутствия. На рисунке 7-7 представлена модель резистора в очень распространённом корпусе "0805" для поверхностного монтажа. Такие компоненты часто используются во входных схемах, собранных на печатных платах. Паразитные составляющие корпуса резистора и печатной платы - 0.1pF и 1nH - выглядят пренебрежимо малыми, но именно они определяют параметры на частотах выше 500MHz.

Рисунок 7-4. Простой истоковый повторитель на МОП-транзисторе

Рисунок 7-5. Модель типичного высокочастотного транзистора с коротким каналом BSD22

Рисунок 7-6. Паразитные компоненты транзистора в корпусе SOT-143. Модель включает эффекты монтажа на шестислойной печатной плате из стеклотекстолита толщиной 1.6 mm, причём слой земли находится в четвёртом слое, считая со стороны монтажа

Рисунок 7-7. Модель резистора в корпусе "0805", подключённого к печатным проводникам длиной 1 mm с обеих сторон. Модель включает эффекты монтажа на шестислойной печатной плате из стеклотекстолита толщиной 1.6 mm, причём слой земли находится в четвёртом слое, считая со стороны монтажа

Для снижения паразитных ёмкостей в модулях осциллографов я часто размещаю в слое земли небольшие окна под элементами монтажа. Но, делая это, следует быть предельно внимательным, потому что такая операция всегда увеличивает паразитную индуктивность. Однажды я перестроил восхитительный двухгигагерцовый усилитель в 400-мегагерцовый прижим для бумаги, убрав слой земли и добавив, тем самым, в устройство больше индуктивности.

Паразитные составляющие оказывают столь заметное пагубное воздействие на высокочастотные параметры, что входные цепи 500MHz осциллографов делают в виде гибридных схем, имеющих заметно меньший уровень паразитных компонент, чем печатный монтаж. Но и у печатного монтажа, и у гибридных схем наибольшие сложности с параметрами на высоких частотах порождают подводящие провода, каждый с индуктивностью 0.5-1nH. В ходе разработки микроволновых устройств, следует, в конечном итоге, перейти к рассмотрению схемы и монтажа, как набора согласованных линий или близкого к ним приближения. Я обнаружил, что подобный взгляд очень полезен и при некоторой практике это очень наглядная мысленная модель.

Рисунок 7-8 показывает АЧХ и импульсную характеристику истокового повторителя, полученную с использованием моделей с рисунков 7-5..7-7. Полоса достигает 1.1GHz, время нарастания 360ps, время установления с точностью 1% меньше 1ns!

Рисунок 7-8. Амплитудно-частотная и импульсная характеристики простого истокового повторителя