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

Делитель

Я потратил много слов и рисунков на преобразователь импеданса и делитель опишу чуть короче: ограничусь введением в разработку и вопросами производительности, а затем проиллюстрирую некоторые интересные варианты конструкций. Назначение делителей - уменьшение требований к динамическому диапазону, предъявляемых к преобразователю импеданса и предусилителю. Делитель должен выдерживать перегрузку до ±400V и электростатические разряды и сохранять входное сопротивление 1MΩ на всех диапазонах вплоть до микроволнового с отличной неравномерностью. Малосигнальные полупроводниковые компоненты не могут работать с высокими входными напряжениями, поэтому входные делители высокочастотных осциллографов делаются только из пассивных компонентов и электромеханических реле в качестве переключателей.

На рисунке 7-15 приведена упрощённая съема делителя на 1MΩ. В нём используются два каскада хорошо известного "компенсированного делителя напряжения". Первый каскад делит на 5, а второй на 25, что даёт четыре коэффициента ослабления: 1, 5, 25 и 125. К делителю предъявляются два ключевых требования. Во-первых, как было показано на рисунке 7-3, для сохраниния гладкости АЧХ должно выполняться условие равенства R1C1 и R2C2 в канале деления на 5 и аналогичной пары для коэффициента 25. Во-вторых, входное сопротивление и ёмкость каждого каскада должны соответствовать таковым в преобразователе импеданса и оставаться очень стабильным вне зависимости от положения переключателей. Такие требования гарантируют, что мы сохраним точность и равномерность коэффициента ослабления для всех четырёх сочетаний переключателей в делителе.

Рисунок 7-15. Упрощённая схема двухкаскадного делителя

Деление сигнала с высоким коэффициентом таким, как 125, подобно попытке создать переключатель с высокой степенью изоляции. Сигнал пытается обойти делитель, вызывая проблемы наводок. Если мы поставим требование по прониканию на уровне менее, чем один младший значащий разряд в 8-битном цифровом осциллографе, то делитель должен изолировать вход от выхода на 20*log₁₀(125*2⁸) = 90dB! Однажды я потратил два месяца в поисках источника наводок, дошёл до прослежевания распространения сигнала по волноводу и обнаружил каверну в металлическом кожухе делителя, резонирующую на частоте 2GHz.

Реле в качестве переключателей используются из-за низкого сопротивления контактов, высокой изоляции и высоких допустимых напряжений. Но в обычной жизни, где 1мм провода выглядит, как согласованная линия, у реле обнаруживается масса паразитных эффектов. Усугубляет положение тот факт, что размеры реле слишком велики, чтобы влезть в границы допустимой для делителя области 20x30mm. Предположим, что скорость распространения сигнала составляет 1/2 скорости света. Три сантиметра дают 200ps задержки, которая опасно близка к 700ps времени нарастания 500MHz осциллографа. Несмотря на то, что, как я говорил ранее, в нашем делителе не должно быть согласованных линий, с ними приходится работать в любом случае! Для того, чтобы скомпенсировать линии передачи и эффекты их паразитной реактивной составляющей, в настоящие делители добавляют много терминирующих и демпфирующих резисторов, которые на рисунке 7-15 не показаны.

Чем углубляться в тонкости обычных делителей, подобных варианту с рисунка 7-15, лучше обсудить интересный вопрос, есть ли какая-либо возможность вовсе отказаться от больших и ненадёжных электромеханических реле? Рассмотрим немного иную реализацию двухканального преобразователя импеданса, показанную на рисунке 7-16. Резистором 22MΩ в цепи затвора устанавливается рабочая точка обеднённого МОП-транзистора, который в результате работает при нулевом напряжении между затвором и истоком. Если потенциалы входа и выхода различны, то обратная связь через операционный усилитель и источник тока убирает её до нуля. Для понимания работы схемы следует отметить, что импеданс МОП-транзистора в режиме с автоматическим смещением [* стабилизации тока] очень велик и коллектор биполярного транзистора видит высокоимпедансную нагрузку. Таким образом, небольшие изменения на выходе операционного усилителя приводят к существенным изменениям на выходе схемы.

Рисунок 7-16. Модификация двухканального преобразователя импеданса

Преобразователь импеданса с рисунка 7-16 может быть легко конвертирован в делитель с фиксированным коэффициентом, как показано на рисунке 7-17. Как и раньше, есть низкочастотный и высокочастотный каналы, но теперь в каждом есть делитель на 10. В цепи обратной связи встроен аналоговый перемножитель для точной подстройки низкочастотного усиления. Умножитель согласовывает высокочастотный и низкочастотный каналы для получения высокой степени равномерности АЧХ. Нужный коэффициент усиления умножителя определяется калибровкой.

Рисунок 7-17. "Ослабляющий преобразователь импеданса" или "двухканальный делитель"

Теперь мы готовы постороить полный двухканальный делитель с переключаемыми коэффициентами деления, как показано на рисунке 7-18 (Roach 1992). Вместо последовательного соединения каскадов делителя мы соединим их параллельно. Вместо двух реле с двойными переключающими контактами (DPDT), как на рисунке 7-15, нам теперь нужны только два реле с одинарными замыкающими контактами (SPST). Отметим, что ключ в канале "/100" не нужен, потому что любой сигнал, попадающий в диапазоны "/1" [* 0V..±1V] и "/10" [* 0V..±10V], автоматически попадает и в диапазон "/100" [* 0V..±100V]. Переключатели в цепи обратной связи низкочастотного канала могут быть полупроводниковыми, так как высокое напряжение на них не попадает.

Рисунок 7-18. Двухканальный делитель и преобразователь импеданса, использующие только два электромеханических реле типа SPST. Защитные диоды и некоторые резисторы для наглядности опущены

Двухканальный делитель с рисунка 7-18 имеет несколько дополнительных преимуществ. SPST реле проще по конструкции, чем DPDT, и, кроме того, высокочастотный канал получается полностью развязан по постоянному напряжению. Реле могут быть заменены ёмкостными ключами, исключающими проблемы надёжности контактов. Точная подстройка пассивных компонентов, как в конструкции с рисунка 7-15 (R1C1=R2C2), более не нужна, что является самым главным удобством схемы. Такой вариант позволяет исключить с печатной платы аттенюатора переменный конденсатор или отказаться от сложного процесса лазерной подгонки гибридной схемы и использовать вместо неё экономичный делитель на основе печатной платы.

Мы можем продолжить улучшать конфигурацию 7-18 дальше. Вначале отметим, что реле в канале "/10" можно заменить схемой с рисунка 7-19. Диоды должны быть смещены в обратном направлении для включения канала "/10" и в прямом для выключения. Смещение диодов в прямом направлении закорачивает конденсатор ёмкостью 1pF на землю, шунтируя сигнал и разрывая канал. Общая входная ёмкость делителя при этом изменяется только на 0.1pF.

Рисунок 7-19. Использование защитных диодов в качестве ключей в канале "/10"

Теперь у нас осталось одно электромеханическое реле в канале "/1". Мы можем избавиться от него, переместив из цепи затвора повторителя в цепи его же стока и истока, в соответствии с рисунком 7-20. В результате мы заменили один ключ на два, но дело того стоит. Когда ключи "/1" замкнуты исток и сток МОП-транзистора подключаются к схеме и работают, как обычно. На защитные диоды подаётся смещающее напряжение ±5V.

Рисунок 7-20. Перемещение ключей канала "/1" из высокоомной входной части схемы в низкоомную выходную

Чтобы разорвать канал "/1" ключи в истоке и стоке открываются, оставляя выводы транзистора неподключёнными. При открытых ключах изменение напряжения на входе в равной мере изменяет потенциалы на затворе, стоке и истоке транзистора через входную ёмкость 20pF и ёмкости затвор-сток, затвор-исток. Из-за того, что потенциалы всех выводов транзистора равны, он нечувствителен к перенапряжению. Ключи, естественно, должны иметь маленькую ёмкость в открытом состоянии, в противном случае ёмкостные делители будут менять потенциалы стока и истока. В режиме "/100" на плавающий МОП-транзистор будут действовать перепады ±40V (восемь делений на экране в режиме 5V/деление), как источник возможных неприятностей. По этой причине защитные диоды в режимах "/10" и "/100" должны переключаться на напряжение смещения ±50V. Ключи, подающие напряжение на защитные диоды, могут делаться на медленных высоковольтных полупроводниках, так как частотные требования, предъявляемые ко входной части, на них не распространяются.

Можем ли мы заменить реле в стоке и истоке на полупроводниковые ключи? Как видно из рисунка 7-21, можем. Реле в стоке и истоке заменяются на PIN-диоды. PIN-диоды состоят из слоя p-типа (P), внутреннего слоя (I) и слоя n-типа (N). Внутренний слой (I) относительно толстый, что даёт диоду довольно высокое напряжение пробоя и чрезвычайно малую ёмкость обратносмещённого перехода. Некоторые экземпляры PIN-диодов имеют величину обратного напряжения пробоя 100V и ёмкость перехода всего 0.08pF. Чтобы включить канал "/1" по схеме на рисунке 7-21, надо перевести все переключатели в положение "/1". В этом положении все PIN-диоды смещены в прямом направлении, биполярный транзистор подключён к операционному усилителю [* к повторителю, конечно, к усилителю он подключён постоянно], а МОП-транзистор находится в проводящем состоянии. В положении переключателей "/10,100" PIN-диоды смещены в обратном направлении и канал выключен. Ключи не передают высокочастотные сигналы и могут быть выполнены на медленных высоковольтных полупроводниках.

Рисунок 7-21. Замена электромеханических реле на PIN-диоды в канале "/1"

Получившаяся схема слишком велика, чтобы уместиться на странице книги, поэтому задействуйте ваше воображение. Мы избавились от всех электромеханических ключей и получили полностью твердотельный входной модуль осциллографа. Но, несмотря на то, что я получил огромное удовольствие, разрабатывая эту схему, я не думаю, что она указывает направление развития входной электроники осциллографов. Современные исследования идут в направлении микроскопических реле, постороенных по микромашинным технологиям (Hackett 1991). Эти реле строятся на поверхности кремния или арсенида галлия с использованием техники фотолитографии и имеют размер всего 0.5mm по наибольшему габариту. Контакты раскрываются всего на несколько микрометров, но выдерживают высокое напряжение (сотни вольт), потому что пробивное напряжение в среде нейтральных газов очень нелинейно и немонотонно даже для очень малых промежутков. Контакты так малы, что их ёмкость в открытом состоянии составляет всего несколько фемтофарад (1fF = 0.001pF), что приводит к запредельным изолирующим свойствам такого реле! Возможно, самым замечательным является то, что реле имеют электростатическую активацию и близкую к нулевой потребляемую мощность. Я уверен, что микромашинные реле являются революцией в проектировании входных блоков осциллографов и с нетерпением ожидаю кардинального улучшения производительности аналоговых переключателей во многих приложениях. Несомненно, даже столь старые устройства, как электромеханические реле, всё ещё могут быть достаточно плодородной почвой для честолюбивых творцов.