用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路的制作方法
【专利摘要】用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路，涉及属于电子测量【技术领域】。本实用新型解决了现有数字示波表的宽带放大电路仍然存在的体积大，功耗高的问题。本实用新型的阻抗变换电路的信号输入端连接手持式数字示波表的无源衰减电路的信号输出端，增益放大及偏置设置电路的增益调节信号输入端连接数模转换控制电路的增益调节信号输出端，增益放大及偏置设置电路的偏置设置信号输入端连接数模转换控制电路偏置设置信号输出端，增益放大及偏置设置电路的放大后信号输出端连接共模电压调整电路的电压信号输入端，共模电压调整电路的电压设置信号输入端连接数模转换控制电路的共模电压设置信号输出端。本实用新型适用于电子测量【技术领域】。
【专利说明】用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及属于电子测量【技术领域】，具体涉及一种低功耗宽带放大电路。
【背景技术】
[0002]示波器是电子工程领域中应用十分广泛的一种开发、调试设备。目前随着技术的发展，示波器正在向小型化、低功耗的方向发展。手持式数字示波表，因其功耗低、体积小、便于携带，受到了电子信息领域工程师们的青睐。
[0003]在示波表的各个组成部分中，信号调理电路作为被测信号的输入通道，决定着整机的通频带宽、测量精度等重要性能指标，对整机的体积和功耗也具有较大的影响。示波表中信号调理电路一般由输入阻抗选择、耦合选择、无源衰减、阻抗变换、可变增益放大、输出驱动及控制单元等功能模块组成。其中阻抗变换、可变增益放大、输出驱动等环节，在不同不波表中变化较大。传统不波表信号调理电路，大多米用±5V或± 12V供电方式,功耗较高，体积较大。
[0004]传统方案的阻抗变换电路，为了实现高输入阻抗、低输出阻抗、高带宽、过载保护等功能，通常由场效应管、三极管和低噪声的窄带放大器等元件搭建成射随器的形式，电路中高频信号与低频信号分别走不同的信号路径。为了保证电路具有合适的静态工作点和较大的信号动态范围，一般米用士5V (或±12V)电压供电。传统阻抗变换电路使用的兀器件较多，电路体积大，功耗高，且电路的性能对元件参数比较敏感，实施时需要仔细调试；
[0005]在可变增益放大电路部分，由于宽带可变增益放大器(VGA)芯片通常为单电源供电，且输入方式为双端差分输入，因此传统方案在可变增益放大之前，需采用缓冲器将信号由单端形式转化为差分形式，同时调整共模电压，以满足VGA对输入信号的单极性要求。这里的缓冲器进一步增加了元件数量，增大了体积，增加了功耗。
[0006]综上所述，现有数字示波表的宽带放大电路仍然存在的体积大，功耗高的问题。实用新型内容
[0007]本实用新型为了解决现有数字示波表的宽带放大电路仍然存在的体积大，功耗高的问题，提出了一种用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路。
[0008]本实用新型所述用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路，该电路包括:阻抗变换电路、增益放大及偏置设置电路、共模电压调整电路和数模转换控制电路；
[0009]阻抗变换电路的信号输入端连接手持式数字示波表的无源衰减电路的信号输出端，阻抗变换电路的信号输出端连接增益放大及偏置设置电路的宽带信号输入端，增益放大及偏置设置电路的增益调节信号输入端连接数模转换控制电路增益调节信号输出端，增益放大及偏置设置电路的偏置设置信号输入端连接数模转换控制电路偏置设置信号输出端，增益放大及偏置设置电路的放大后信号输出端连接共模电压调整电路的电压信号输入端，共模电压调整电路的电压设置信号输入端连接数模转换控制电路的共模电压设置信号输出端，共模电压调整电路的信号输出端连接手持式数字示波表的模数变换器的信号输入端。
[0010]本实用新型在满足带宽要求的前提下，提高输入阻抗，降低输出阻抗，并完成小信号的放大功能。其中，增益放大及偏置设置电路，对输入的宽带信号实现增益连续可调的放大功能，同时设置信号的偏置电压；共模电压调整电路，调整放大后信号的共模电压，以适配后端连接的ADC;数模转换控制电路设置上述增益控制电压、偏置控制电压以及共模电压控制信号。本实用新型简化了宽带阻抗变换电路，采用特殊的电路接法，去掉了可变增益放大环节前的缓冲器，将整个放大电路的供电电压降低到了 ±2.5V，减小了电路的体积、降低了功耗，且与现有数字示波表的宽带放大电路相比体积减小了 20%，功耗降低了 25%。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本实用新型所述用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路的电气结构框图；
[0012]图2为阻抗变换电路的电路图；
[0013]图3为增益放大及偏置设置电路的电路图；
[0014]图4为共模电压调整电路的电路图；
[0015]图5为数模转换控制电路中直流信号调理电路的电路图。
【具体实施方式】
[0016]【具体实施方式】一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路，该电路包括:阻抗变换电路1、增益放大及偏置设置电路2、共模电压调整电路3和数模转换控制电路4 ；
[0017]阻抗变换电路I的信号输入端连接手持式数字示波表的无源衰减电路的信号输出端，阻抗变换电路I的信号输出端连接增益放大及偏置设置电路2的宽带信号输入端，增益放大及偏置设置电路2的增益调节信号输入端连接数模转换控制电路4的增益调节信号输出端，增益放大及偏置设置电路2的偏置设置信号输入端连接数模转换控制电路4偏置设置信号输出端，增益放大及偏置设置电路2的放大后信号输出端连接共模电压调整电路3的电压信号输入端，共模电压调整电路3的电压设置信号输入端连接数模转换控制电路4的共模电压设置信号输出端，共模电压调整电路3的信号输出端连接手持式数字示波表的模数变换器的信号输入端。
[0018]【具体实施方式】二、参见图2说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述的用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路的进一步说明，阻抗变换电路I还包括一号电感L1、二号电感L2、一号电阻Rl、二号电阻R2、三号电阻R3、一号电容Cl、二号电容C2、三号电容C3、四号电容C4、五号电容C5、运算放大器Ul和±2.5V电源；
[0019]运算放大器Ul的同相输入端同时连接二号电阻R2的一端和一号电容Cl的一端，二号电阻R2的另一端同时连接一号电容Cl的另一端和一号电阻Rl的一端,一号电阻Rl的另一端接地；一号电容Cl的另一端为阻抗变换电路I的信号输入端；
[0020]运算放大器Ul的负电源输入端同时连接四号电容C4的一端、五号电容C5的一端和二号电感L2的一端，四号电容C4的另一端同时连接五号电容C5的另一端和地,二号电感L2的另一端连接-2.5V电源；[0021]运算放大器Ul的正电源输入端同时连接二号电容C2的一端、三号电容C3的一端和一号电感LI的一端,二号电容C2的另一端同时连接三号电容C3的另一端和地,一号电感LI的另一端连接+2.5V电源；
[0022]运算放大器Ul的输出端同时连接运算放大器Ul反相输入端和三号电阻R3的一端，三号电阻R3的另一端接地，运算放大器Ul的输出端为阻抗变换电路I的信号输出端。
[0023]【具体实施方式】三、本实施方式是对【具体实施方式】二所述的用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路的进一步说明，运算放大器Ul采用型号为0PA356的集成运算放大器实现。
[0024]本实施方式以结型场效应管JFET为输入级的低噪声宽带集成放大器0PA356实现，具体电路如图3所示，所述信号为0PA356的放大器的供电电压可低至±2.5V，输入阻抗可达到G欧姆量级，输入偏置电流为pA级，可以实现较高的固定输入阻抗，其输出阻抗很小，并具有较高的通频带宽。0PA356的第3脚内部的静电保护二极管，通过在输入管脚串联二号电阻R2(R2=100K)的方式实现过载保护功能。当输入信号超过±2.5V时，超出的电压降落在二号电阻R2上，起到了保护运放的作用。通过设置一号电阻Rl=IM欧姆，实现输入阻抗为IM欧姆的示波表标准输入阻抗要求。一号电容Cl用来对高频特性进行补偿，抑制第3管脚对地寄生电容的低通特性，以保证阻抗变换电路具有较高的通频带宽。
[0025]采用0PA356来替代传统射随器既降低了电路体积，还降低了功耗，同时该电路的通频带宽可达到IOOMHz以上，满足常用手持式数字示波表的需求。
[0026]【具体实施方式】四、结合图3说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一或【具体实施方式】二所述 的用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路的进一步说明，增益放大及偏置设置电路2还包括可变增益放大器U2、六号电容C6、七号电容C7、八号电容C8、九号电容C9、十号电容C10、十一号电容CU、十二号电容C12、三号电感L3、四号电感L4和±2.5V电源；
[0027]所述可变增益放大器U2采用型号为AD8330的可变增益放大器芯片实现；
[0028]三号电感L3的一端同时连接可变增益放大器U2的2号引脚、可变增益放大器U2的3号引脚、可变增益放大器U2的14号引脚、可变增益放大器U2的16号引脚、九号电容C9的一端、十号电容ClO的一端、七号电容C7的一端和六号电容C6的一端；三号电感L3的另一端连接+2.5V电源；九号电容C9的另一端、和十号电容ClO的另一端均接地；三号电感L3的另一端连接+2.5V电源；
[0029]四号电感L4的一端同时连接可变增益放大器U2的I号引脚、可变增益放大器U2的6号引脚、可变增益放大器U2的8号引脚、可变增益放大器U2的9号引脚、可变增益放大器U2的11号引脚、一号电容Cll的一端和十二号电容C12的一端,^ 号电容Cll的另一端和十二号电容C12的另一端均接地；四号电感L4的另一端连接-2.5V电源；
[0030]可变增益放大器U2的7号引脚连接八号电容CS的一端，八号电容CS的另一端接地，且可变增益放大器U2的7号引脚为增益放大及偏置设置电路2的增益调节信号输入端;
[0031]可变增益放大器U2的5号引脚为增益放大及偏置设置电路2的偏置设置信号输入端;
[0032]可变增益放大器U2的4号引脚为增益放大及偏置设置电路2的宽带信号输入端，[0033]可变增益放大器U2的12号引脚和13号引脚为增益放大及偏置设置电路2的放大后信号输出端。
[0034]现有的宽带可变增益放大器VGA通常为单电源供电，且输入形式为双端差分输入，因此传统方案在可变增益放大之前，需采用缓冲器将信号由单端形式转化为差分形式，同时调整共模电压以满足AD8330的输入为单极性信号。
[0035]本实用新型将单电源+5V供电的AD8330，通过加双电源±2.5V供电的方法，构建虚拟地平面，使得通常为单电源工作的AD8330允许输入双极性的交流信号，而且该交流信号的共模电压可以包括参考地电压。因此本实用新型中AD8330的同相输入端与阻抗变换电路的输出直接相连，去掉了缓冲环节。AD8330的反相输入端用来调整直流偏置电压，该功能由数模转换控制单元来完成。AD8330的具体供电和连接电路如图3所示；
[0036]在本实用新型中，供电管脚VPS1、VPOS、VPSO及电源使能管脚ENBL接+2.5V传统方法接+5V，AD8330的公共端CMGN、CMOP、COMM及增益控制模式设置端MODE、高频补偿使能端OFST接-2.5V传统方法接地，AD8330的输出信号共模电压的设置端第15脚连接参考地GND,使得AD8330的输出信号的共模电压在OV左右，以有效利用放大器的动态性能。本部分放大电路的通频带宽可达到150MHz，在0-40dB范围内增益连续可调。AD8330的增益由数模转换器发出特定的直流电压来控制，增益在0-40dB范围内变化所需的控制电压7号引脚的电压Vdbs的变化范围为:
[0037]-2.2V ( Vdbs ( -1.0V,
[0038]控制电压Vdbs与增益G之间的函数关系为:
[0039]
【权利要求】
1.用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路，其特征在于，该电路包括:阻抗变换电路(I)、增益放大及偏置设置电路(2)、共模电压调整电路(3)和数模转换控制电路(4)； 阻抗变换电路(I)的信号输入端连接手持式数字示波表的无源衰减电路的信号输出端，阻抗变换电路(I)的信号输出端连接增益放大及偏置设置电路(2)的宽带信号输入端，增益放大及偏置设置电路(2)的增益调节信号输入端连接数模转换控制电路(4)的增益调节信号输出端，增益放大及偏置设置电路(2)的偏置设置信号输入端连接数模转换控制电路(4)偏置设置信号输出端，增益放大及偏置设置电路(2)的放大后信号输出端连接共模电压调整电路(3)的电压信号输入端，共模电压调整电路(3)的电压设置信号输入端连接数模转换控制电路(4)的共模电压设置信号输出端，共模电压调整电路(3)的信号输出端连接手持式数字示波表的模数变换器的信号输入端。
2.根据权利要求1所述的用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路，其特征在于，阻抗变换电路(I)还包括一号电感(LI)、二号电感(L2)、一号电阻(Rl)、二号电阻(R2)、三号电阻(R3)、一号电容(Cl)、二号电容(C2)、三号电容(C3)、四号电容(C4)、五号电容(C5)、运算放大器(Ul)和±2.5V电源； 运算放大器(Ul)的同相输入端同时连接二号电阻(R2)的一端和一号电容(Cl)的一端，二号电阻(R2)的另一端同时连接一号电容(Cl)的另一端和一号电阻(Rl)的一端,一号电阻(Rl)的另一端接地；一号电容(Cl)的另一端为阻抗变换电路(I)的信号输入端； 运算放大器 (Ul)的负电源输入端同时连接四号电容(C4)的一端、五号电容(C5)的一端和二号电感(L2)的一端，四号电容(C4)的另一端同时连接五号电容(C5)的另一端和地，二号电感(L2)的另一端连接-2.5V电源； 运算放大器(Ul)的正电源输入端同时连接二号电容(C2)的一端、三号电容(C3)的一端和一号电感(LI)的一端,二号电容(C2)的另一端同时连接三号电容(C3)的另一端和地，一号电感(LI)的另一端连接+2.5V电源； 运算放大器(Ul)的输出端同时连接运算放大器(Ul)反相输入端和三号电阻(R3)的一端，三号电阻(R3)的另一端接地，运算放大器(Ul)的输出端为阻抗变换电路(I)的信号输出端。
3.根据权利要求2所述的用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路，其特征在于，运算放大器(Ul)采用型号为0PA356的集成运算放大器实现。
4.根据权利要求1或2所述的用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路，其特征在于，增益放大及偏置设置电路(2)还包括可变增益放大器(U2)、六号电容(C6)、七号电容(C7)、八号电容(C8)、九号电容(C9)、十号电容(C10)、十一号电容(C11)、十二号电容(C12)、三号电感(L3)、四号电感(L4)和±2.5V电源； 所述可变增益放大器(U2)采用型号为AD8330的可变增益放大器芯片实现； 三号电感(L3)的一端同时连接可变增益放大器(U2)的2号引脚、可变增益放大器(U2)的3号引脚、可变增益放大器(U2)的14号引脚、可变增益放大器(U2)的16号引脚、九号电容(C9)的一端、十号电容(ClO)的一端、七号电容(C7)的一端和六号电容(C6)的一端；三号电感(L3)的另一端连接+2.5V电源；九号电容(09)的另一端、和十号电容(ClO)的另一端均接地；三号电感(L3)的另一端连接+2.5V电源；四号电感(L4)的一端同时连接可变增益放大器(U2)的I号引脚、可变增益放大器(U2)的6号引脚、可变增益放大器(U2)的8号引脚、可变增益放大器(U2)的9号引脚、可变增益放大器(U2)的11号引脚、^ 号电容(Cll)的一端和十二号电容(C12)的一端号电容(C11)的另一端和十二号电容(C12)的另一端均接地；四号电感(L4)的另一端连接-2.5V电源； 可变增益放大器(U2)的7号引脚连接八号电容(CS)的一端，八号电容(CS)的另一端接地，且可变增益放大器(U2)的7号引脚为增益放大及偏置设置电路(2)的增益调节信号输入端； 可变增益放大器(U2)的5号引脚为增益放大及偏置设置电路(2)的偏置设置信号输入端; 可变增益放大器(U2)的4号引脚为增益放大及偏置设置电路(2)的宽带信号输入端，可变增益放大器(U2)的12号引脚和13号引脚为增益放大及偏置设置电路(2)的放大后信号输出端。
5.根据权利要求1或2所述的用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路，其特征在于，共模电压调整电路(3)还包括十三号电容(C13)、十四号电容(C14)、十五号电容(C15)、十六号电容(C16)、十七号电容(C17)、十八号电容(C18)、十九号电容(C19)、二十号电容(C20)、二^^一号电容(C21)、二十二号电容(C22)、二十三号电容(C23)、四号电阻(R4)、五号电阻(R5)、六号电阻(R6)、七号电阻(R7)、八号电阻(R8)、九号电阻(R9)、十号电阻(RlO)、五号电感(L5)、六号电感(L6)、差分运算放大器(U3)和±2.5V电源； 所述差分运算放大器(U3)采用型号为THS4520全差分运算放大器； 差分运算放大器(U3)的2号引脚同时连接七号电阻(R7)的一端和六号电阻(R6)的一端，七号电阻(R7)的另一端同时连接差分运算放大器(U3)的3号引脚、九号电阻(R9)的一端和十号电阻(RlO)的一端,十号电阻(RlO)的另一端同时连接八号电阻(R8)的一端、五号电阻(R5)的一端和差分运算放大器(U3)的10号引脚；五号电阻(R5)的另一端同时连接差分运算放大器(U3)的11号引脚和四号电阻(R4)的一端，四号电阻(R4)的一端连接十三号电容(C13)的一端，十三号电容(C13)的另一端连接六号电阻(R6)的另一端； 十三号电容(C13)的两端均为共模电压调整电路(3)的电压信号输入端； 八号电阻(R8)的另一端和九号电阻(R9)的另一端均为共模电压调整电路(3)的信号输出端； 差分运算放大器(U3)的4号引脚连接十五号电容(C15)的一端，差分运算放大器(U3)的4号引脚连接十五号电容(C15)的一端,十五号电容(C15)的另一端接地； 差分运算放大器(U3)的9号引脚连接十四号电容(C14)的一端，十四号电容(C14)的另一端接地； 且差分运算放大器(U3)的4号引脚和差分运算放大器(U3)的9号引脚为共模电压调整电路(3)的电压信号输入端； 差分运算放大器(U3)的5号引脚、差分运算放大器(U3)的6号引脚、差分运算放大器(U3)的7号引脚和差分运算放大器(U3)的8号引脚同时连接+2.5V电源和六号电感(L6)的一端，二十号电容(C20)、二^^一号电容(C21)、二十二号电容(C22)均与二十三号电容(C23)并联，且二十号电容(C20)的一端连接六号电感(L6)的另一端，二十三号电容(C23)的另一端接地； 差分运算放大器(U3)的13号引脚、差分运算放大器(U3)的14号引脚、差分运算放大器(U3)的15号引脚和差分运算放大器(U3)的16号引脚同时连接-2.5V电源和五号电感(L5)的一端，十六号电容(C16)、十七号电容(C17)、十八号电容(C18)和十九号电容(C19)并联，且十六号电容(C16)的一端连接五号电感(L5)的另一端,十六号电容(C16)的另一端接地。
6.根据权利要求1所述的用于手持式数字示波表的低功耗宽带放大电路，其特征在于，数模转换控制电路(4)还包括数模转换器和直流信号调理电路；数模转换器的四路转换信号输出端连接直流信号调理电路的四路转换信号输入端； 所述直流信号调理电路还包括一号运算放大器(U4A)、二号运算放大器(U4B)、三号运算放大器(U4C)、四号运算放大器(U4B)、二十四号电容(C24)、二十五号电容(C25)、二十六号电容(C26)、二十七号电容(C27)、二十八号电容(C28)、十一号电阻(R11)、十二号电阻(R12)、十三号电阻(R13)、十四号电阻(R14)、十五号电阻(R15)、十六号电阻(R16)和±2.5V电源； 一号运算放大器(U4A)的同相输入端为直流信号调理电路的第一路转换信号输入端；一号运算放大器(U4A)的正电源输入端同时连接二十四号电容(C24)的一端和+2.5V电源，二十四号电容(C24)的另一端接地； 一号运算放大器(U4A)的负电源输入端同时连接二十五号电容(C25)的一端和-2.5V电源，二十五号电容(C25)的另一端接地； 一号运算放大器(U4A)的输出端同时连接一号运算放大器(U4A)的反相输入端和^号电阻(Rll)的一端，十一号电阻(Rll)的另一端同时连接十二号电阻(R12)的一端和二号运算放大器(U4B)的反相输入端，十二号电阻(R12)另一端同时连接二号运算放大器(U4B)输出端和二十六号电容(C26)的一端,二十六号电容(C26)的另一端接地；二号运算放大器(U4B)输出端为数模转换控制电路(4)的增益调节信号输出端； 三号运算放大器(U4C)的同相输入端同时连接十三号电阻(R13)的一端和十四号电阻(R14)的一端，十三号电阻(R13)的另一端接地，十四号电阻(R14)的另一端为直流信号调理电路的第二路转换信号输入端；三号运算放大器(U4C) 的反相输入端同时连接十五号电阻(R15)的一端和十六号电阻(R16)的一端,十五号电阻(R15)的另一端为直流信号调理电路的第三路转换信号输入端；十六号电阻(R16)的另一端同时连接三号运算放大器(U4C)的输出端和二十七号电容(C27)的一端，二十七号电容(C27)的另一端接地；三号运算放大器(U4C)的输出端为数模转换控制电路(4)偏置设置信号输出端； 四号运算放大器(U4B)的同相输入端为直流信号调理电路的第四路转换信号输入端；四号运算放大器(U4B)的反相输入端同时连接四号运算放大器(U4B)的输出端和二十八号电容(C28)的一端，二十八号电容(C28)的另一端接地；四号运算放大器(U4B)的输出端为数模转换控制电路(4)的共模电压设置信号输出端。
【文档编号】H03F1/42GK203617973SQ201320881506
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】盖建新, 芮阳阳, 孙连义, 熊浩东, 童一方 申请人:哈尔滨理工大学