數字和取樣示波器的關鍵器件和電路(05-100)

　　取樣門的電路元器件不多,測量儀器公司按微波電路制成在陶瓷片上,密封在金屬外殼內,輸入RF信號和取樣脈沖由小型同軸接頭連接,與數字存儲示波器的ADC芯片相似,取樣示波器的高頻高速取樣頭并無市售產品,近年來情況有很大變化,PSPL(皮秒脈沖實驗室)公司供應帶寬高至100GHz的取樣頭,使測量工程師構建取樣示波器變得容易得多,也促進了取樣技術的發展。圖2實際上就是PSPL公司的通過式100GHz取樣頭,取樣頭具有如下的特性：

　　·取樣孔徑-3ps~35ps(在設計時固定)

　　·孔徑抖動—<1ps(RMS),

　　·RF帶寬—達到100GHz,

　　·RF輸入動態范圍—2Vp-p,

　　·RF阻抗—50Ω,可用SMA~1mm同軸接頭,

　　·取樣率—>10GS/S

　　·取樣效率—60%

　　由上述指標可知,該取樣頭滿足10GHz~100GHz等效帶寬的測量,辦法是調節取樣脈沖的寬度,即取樣孔徑。改變圖2中的微帶線長度是最常用的方法,PSPL在這里采用更簡便和靈活的高速反向階躍二級管代替微帶線,構成非線性短路傳輸線,達到取樣脈沖寬度連續可調和極快速的上升邊沿。取樣率達到10GS/S同樣是過去的取樣頭未曾具備的指標,傳統電路采用雪崩三極管產生階躍邊沿的脈沖,再由階躍恢復二極管整形獲得10PS級的取樣脈沖。這種電路的最高工作頻率受雪崩三極管要進入飽和區的限制,只能在1MHz以下的重復頻率運行。PSPL使用級聯非飽和放大器電路將方波脈沖整形,得到高重復頻率的階躍脈沖,取樣率從1GS/S提高到10GS/S。因而,PSPL的100GHz取樣頭既可構建等效帶寬〈100的取樣示波器,同時相當于取樣率10GS/S的實時數字示波器。

 

　　圖3 取樣脈沖整形和放大電路

　　產生步進時基的幾種方法

　　數字存儲示波器的時基取自前端ADC時鐘的倍頻分頻器,亦可采用后端的DAC輸出,兩種方法都獲得時間步進掃描。取樣示波器需要采用有順序延時的取樣脈沖,而不是等時的時鐘脈沖,數字方法有可程控延時芯片(PDC)或時間/數字轉換器(TDC),它們都有市售產品,延時增量可從10PS級至100PS級變化。后者可獲得10PS級的步進延時,所謂游標延時發生器實際上是機械式游標卡尺的電學實現,游標卡尺的兩塊夾片的mm標度相差1/10,根據被測物體在兩夾片標度測得的重合點,即可獲得0.1mm的讀數精度。

　　按游標卡尺的同樣原理,利用兩個振蕩頻率F2和F1的頻差F可產生高精度的步進延時,如下式所示：

　　k=f2/(f2-f1)=f2/Δf 或 k=T1/(T1-T1)=T1/ΔT

　　式中K是兩個周期的重合點,f2(T2)和f1(T1)分別是兩個不同頻率和相應周期,ΔT是時間差。不難看出,ΔT相當步進延時,K相當取樣點數。例如,一塊晶體振蕩器的f1=8.000,000MHz,另一塊晶體振蕩器的f2=8.000,156MHz即可求得T=2.4PS,K=52,083取樣點.具體電路可用通用邏輯IC構建,f2晶體振蕩器經整形電路形成方波,它的上升邊沿作為步進延時的參改零點,f1晶體振蕩器亦整形為方波,兩步頻率由運算放大器作差分運算得到差頻Δf,根據實際需要再作其它邏輯運算,在室溫下晶體振蕩器的頻率穩定度優于1×10-8,兩塊晶體振蕩器獲得的總步進延時為125ns,相當于一次掃描長度。

　　需要步進延時的市售芯片時,可考慮ADI公司的AD9501數字程控延時發生器,從電路結構來看,它是利用DAC產生精確參考電壓與斜波電壓作比較,由運算放大器輸出全程2.5ns至10礢掃描長度,步進延時最小10PS的可調脈沖,最高觸發頻率50MHz。Maxim公司的DS1023程控定時元件,電路結構是可調延時線,可配置成程控延時,脈寬調制和振蕩器,步進延時分為0.25,0.5,1.0,2.0,5.0ns共5檔。性能最好的MC100195程控延時芯片是安森半導體公司的產品,采用ECL工藝和面陣列封裝,電路結構是多級串聯門序列,具有高達1GHz的工作頻率,最小步進延時20PS,最大掃描長度2.0ns還可多芯片串接,獲得更大掃描長度。關于時間數字轉換器的市售芯片可選產品不多,法國ESRF公司的AMS111芯片主要用于核電子測量,電路結構是可調延時線,可調步進延時范圍130~160PS,動態范圍2礢,工作頻率80MHz,4通道輸入。

　　最后,步進延時脈沖要整形和放大,然后送到取樣頭,對被測信號取樣。完成開關取樣的轉換過程。隨著RF放大器性能的進步,帶寬1GHz,轉換率優于6KV/礢的晶體管有多種型號,圖3是一種典型的取樣脈沖放大電路。緩沖級是T4ACT14,施密特觸發器,屬于摩托羅拉公司的FACT邏輯系列芯片,可產生上升、下降邊沿1ns的窄脈沖。末級電流放大器采用ADI公司的AD8009芯片,它在大信號狀態下具有440MHz帶寬,增益等于2,轉換率5500V/礢,產生在50Ω負載上的上升時間0.55ns,幅度2V,半高寬度0.6ns的輸出脈沖。圖3的連接方法可獲得單板正向取樣脈沖,改變電路的驅動方式不難產生單極負向脈沖或雙向脈沖輸出。與AD8009相似的芯片還有TI公司的OPA695、Maxim公司的MAX4223和Intersil公司的E15367。顯然,限于器件的電氣性能,借助晶體管脈沖放大器不容易獲得半高寬度〈0.5ns的取樣脈沖,亦即等效帶寬不超過1GHz。如果要求10PS~100PS,的半高寬取樣脈沖,可將脈沖放大器輸出送入取樣頭。

　　結語

　　數字存儲示波器和取樣示波器的關鍵器件和電路不斷涌現,使得工程技術人員構建用戶定制的實時帶寬1GHz的數字存儲示波裝置,甚至等效帶寬超過10GHz的取樣示波設備成為可能。多種關鍵器件和電路可供使用,亦促進PC基顯示儀器更為豐富,近年基于PCI總線和USB總線的數字化儀器、時域反射計、超寬帶UWB接收機等儀器都充分利用了這些成果。■(李儀)