高速差分探头在应用中的设计与研究

方案论证与比较

1.1 差模信号源放大器选择

本系统要求差模信号源单端输入，差分输出，故可以采用全差分放大器。而现在有两款全差分放大器，分别是LMH6551MA和THS4503。又因为本系统对带宽要求较苛刻，而LMH6551MA具有50 MHz 0.1 dB Bandwidth，所以选择LMH6551MA。

1.2 差分探头放大器选择

方案一：本系统要求差分探头差分输入，单端输出，VCA822是一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，差分输入的最大频率为150 MHz。电压增益可以由芯片的一个引脚上的电压决定，当G=10，5Vpp全功率输出时，带宽仍能有137 MHz。但是本系统要求单个输入电压范围可达±4 V，而VCA822的输入电压范围在-2.1～1.6 V之间。

方案二：本系统要求差分探头差分输入，单端输出，所以可以采用由3个高速运放LMH6703组成的仪表放大器电路。该仪表放大器输入阻抗高，而且增益可由外部电阻自由控制，本系统只要求电压增益为1和10，所以通过仪表放大器电路可以很容易的实现。

综合考虑本文选择方案二。

2 理论分析与计算

2.1 单端转双端放大器设计

此电路需要注意和信号源阻抗的匹配和差分信号的平衡，可以利用公式[Rin=RG11-K21+K]计算出输入阻抗，进而可以求出匹配电阻[2]。全差分放大电路在TINA的仿真图如图1所示。

图1 全差分放大器在TINA的仿真图

2.2 增益调整和共模抑制

根据仪表放大器[3]差模增益公式：[Ad=R4R31+R2R1]可以得到电路的放大倍数，同时共模增益[Acm=0]，所以仪表放大器能有效抑制共模信号[4]。仪表放大器在TINA的仿真图如图2所示。

图2 仪表放大器在TINA的仿真图

3 电路与程序设计

3.1 系统设计框图

系统设计框图如图3所示。

图3 系统设计框图

3.2 差模信号源模块

图4为差模信号源的实际电路图，通过滑动变阻器可以改变输出直流偏置电压[5]。

图4 差模信号源实际电路

3.3 差分探头模块

差分输出信号（VA，VB）通过差分输入端（VC，VD）进入，经过由3个LMH6703运放组成的仪表放大器差分输入及放大倍数控制，再通过一个二阶低通滤波器[6]，得到输出信号。差分探头实际电路如图5所示。

4 测试方案与测试结果

4.1 测试方案

用信号发生器输出正弦波VIN输入到差模信号源信号输入端，双端差分输出差模信号VA，VB对称，无明显失真，且差模信号源放大倍数为2，即[VA-VBVin]=2，则证明信号源正常工作；将自制差模信号源差分输出端VA，VB接到差分探头电路差分输入端VC，VD，信号输出端VE输出范围在±4 V，探头增益手动可调为1或10倍（即（[VEVC-VD]=1或者10），则探头为正常工作；若自制差分信号源和探头均正常工作，则系统测试正常。

4.2 测试结果分析

（1） 输入正弦波电压：VPP=4 V；差分探头增益设为1，各个频率下的输出电压如表1所示。

表1 增益为1时幅频特性

由表1可知：本设计在20 MHz频率范围内的频响特性较好，达到系统要求。

（2） 测试结果完整性

增益为10倍，调节输入的频率，当带内起伏不大于1 dB时，输入的最大频率为17 MHz左右。

当Vin接地时，VE输出的幅值为12.6～14.4，VE的直流偏置大约为600 mV。

调节VA，VB上输出的直流分量，绝对值可以达到2 V，并且VE输出幅值几乎没有变化，没有失真。

增益为1倍时，在指定范围内改变Vin的频率和幅值，输出信号没有失真。

由此可以得出结论：差模信号源与差分探头基本达到要求，并且误差较小，可以检测一般输入信号。

5 结 语

本设计是由差模信源电路和差分探头电路两部分组成，差模信源电路单端输入双端输出，用于提供差分信号，差分探头电路双端输入单端输出，差分探头电路在20 MHz频率范围内有较好的幅频特性。从测试结果来看，验证了该系统的可行性和实用性。

参考文献

[1] 周志敏.共模和差模信号与滤波器[J].电源技术应用，2001（8）：380⁃381.

[2] 田亚鹏，张昌民，仲维伟.阻抗匹配电路原理与应用[J].电子科技，2012（1）：5⁃7.

[3] 崔利平.仪表放大器电路设计[J].现代电子技术，2009，32（11）：87⁃89.

[4] 黄晓宗，黄文刚，刘伦才.运算放大器共模抑制比的仿真与测试[J].微电子学，2012（2）：44⁃46.

[5] 塞德雷，史密斯.微电子电路[M].北京：电子工业出版社，2006.

[6] 李永安.Sallen⁃Key二阶低通滤波器的OTRA实现[J].电子工程师，2005（10）：28⁃29.

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