高速差分探頭在應用中的設計與研究

楊曉杰+王俊力+張詩羽+黃繼業

摘 要： 分析了對帶寬要求較高的全差分放大器LMH6551MA和3個高速運放LMH6703組合而成的差分探頭電路，由于LMH6551MA是一款帶寬較大的電壓反饋型放大器，所以可用于差分信號源的組成。3個LMH6703構成電壓增益可由外部電阻自由控制在1～10之間的儀表放大器。最后再通過一個基于LMH6703的二階低通濾波器在20 MHz頻率范圍內得到一個失真較小的原始信號。差分信號源中單端轉雙端放大器的設計要進行阻抗匹配，而儀表放大器在得到電路放大倍數的同時能有效抑制共模信號。

關鍵詞： 儀表放大器； LMH6551MA； LMH6703； 差分探頭

中圖分類號： TN22.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?0115?03

The Design and Research of High?speed Differential Probe in the application

YANG Xiaojie， WANG Junli， ZHANG Shiyu， HUANG Jiye

（Schools of Electronics Information， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou Zhejiang 310018， China）

Abstract： The system is based on LMH6551MA， a fully differential amplifier of high bandwidth requirements， and differential probe circuit， a combination of three high?speed operational amplifier LMH6703.Since LMH6551MA is a type of voltage feedback amplifier with high bandwidth， so it can be used for the differential signal source. Three LMH6703 can constitute the instrumentation amplifier that the voltage gain can be controlled by external resistance from 1 ～ 10. Finally， through a second?order low?pass filter based on LMH6703 can get a less distortion of the original signal in 20 M frequency range. The design for single?ended to dual amplifier in differential signal source should do the impedance matching， and the instrumentation amplifier can get circuit magnification， in the meantime， the instrumentation amplifier can effectively suppress the common mode signal.

Key words： instrumentation amplifier； LMH6551MA；LMH6703； differential probe

隨著現代電子技術的快速發展，高速差分探頭廣泛地應用于電力、通信等現代化領域。它常常用于示波器上測量差分信號[1]，差分信號是相互參考的信號，不是以地作為參考的信號。雖然普通的單端探頭也可以測量差分信號，但是得到的信號與實際信號的誤差很大，所以在測量差分信號時往往要用差分探頭更為精確。為此，這里以美國國家半導體公司的高速運放LMH6703為核心，設計了一種帶寬較大，性能較好的差分探頭，在20 MHz頻率范圍內的頻響特性較好。并且還自主設計了單端轉雙端的差模信號源用于檢驗差分探頭的性能。該系統實用性強，具有很重要的現實意義。

1 方案論證與比較

1.1 差模信號源放大器選擇

本系統要求差模信號源單端輸入，差分輸出，故可以采用全差分放大器。而現在有兩款全差分放大器，分別是LMH6551MA和THS4503。又因為本系統對帶寬要求較苛刻，而LMH6551MA具有50 MHz 0.1 dB Bandwidth，所以選擇LMH6551MA。

1.2 差分探頭放大器選擇

方案一：本系統要求差分探頭差分輸入，單端輸出，VCA822是一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，差分輸入的最大頻率為150 MHz。電壓增益可以由芯片的一個引腳上的電壓決定，當G=10，5Vpp全功率輸出時，帶寬仍能有137 MHz。但是本系統要求單個輸入電壓范圍可達±4 V，而VCA822的輸入電壓范圍在-2.1～1.6 V之間。

方案二：本系統要求差分探頭差分輸入，單端輸出，所以可以采用由3個高速運放LMH6703組成的儀表放大器電路。該儀表放大器輸入阻抗高，而且增益可由外部電阻自由控制，本系統只要求電壓增益為1和10，所以通過儀表放大器電路可以很容易的實現。

綜合考慮本文選擇方案二。

2 理論分析與計算

2.1 單端轉雙端放大器設計

此電路需要注意和信號源阻抗的匹配和差分信號的平衡，可以利用公式[Rin=RG11-K21+K]計算出輸入阻抗，進而可以求出匹配電阻[2]。全差分放大電路在TINA的仿真圖如圖1所示。endprint

圖1 全差分放大器在TINA的仿真圖

2.2 增益調整和共模抑制

根據儀表放大器[3]差模增益公式：[Ad=R4R31+R2R1]可以得到電路的放大倍數，同時共模增益[Acm=0]，所以儀表放大器能有效抑制共模信號[4]。儀表放大器在TINA的仿真圖如圖2所示。

圖2 儀表放大器在TINA的仿真圖

3 電路與程序設計

3.1 系統設計框圖

系統設計框圖如圖3所示。

圖3 系統設計框圖

3.2 差模信號源模塊

圖4為差模信號源的實際電路圖，通過滑動變阻器可以改變輸出直流偏置電壓[5]。

圖4 差模信號源實際電路

3.3 差分探頭模塊

差分輸出信號（VA，VB）通過差分輸入端（VC，VD）進入，經過由3個LMH6703運放組成的儀表放大器差分輸入及放大倍數控制，再通過一個二階低通濾波器[6]，得到輸出信號。差分探頭實際電路如圖5所示。

4 測試方案與測試結果

4.1 測試方案

用信號發生器輸出正弦波VIN輸入到差模信號源信號輸入端，雙端差分輸出差模信號VA，VB對稱，無明顯失真，且差模信號源放大倍數為2，即[VA-VBVin]=2，則證明信號源正常工作；將自制差模信號源差分輸出端VA，VB接到差分探頭電路差分輸入端VC，VD，信號輸出端VE輸出范圍在±4 V，探頭增益手動可調為1或10倍（即（[VEVC-VD]=1或者10），則探頭為正常工作；若自制差分信號源和探頭均正常工作，則系統測試正常。

4.2 測試結果分析

（1） 輸入正弦波電壓：VPP=4 V；差分探頭增益設為1，各個頻率下的輸出電壓如表1所示。

表1 增益為1時幅頻特性

由表1可知：本設計在20 MHz頻率范圍內的頻響特性較好，達到系統要求。

（2） 測試結果完整性

增益為10倍，調節輸入的頻率，當帶內起伏不大于1 dB時，輸入的最大頻率為17 MHz左右。

當Vin接地時，VE輸出的幅值為12.6～14.4，VE的直流偏置大約為600 mV。

調節VA，VB上輸出的直流分量，絕對值可以達到2 V，并且VE輸出幅值幾乎沒有變化，沒有失真。

增益為1倍時，在指定范圍內改變Vin的頻率和幅值，輸出信號沒有失真。

由此可以得出結論：差模信號源與差分探頭基本達到要求，并且誤差較小，可以檢測一般輸入信號。

5 結 語

本設計是由差模信源電路和差分探頭電路兩部分組成，差模信源電路單端輸入雙端輸出，用于提供差分信號，差分探頭電路雙端輸入單端輸出，差分探頭電路在20 MHz頻率范圍內有較好的幅頻特性。從測試結果來看，驗證了該系統的可行性和實用性。

參考文獻

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[2] 田亞鵬，張昌民，仲維偉.阻抗匹配電路原理與應用[J].電子科技，2012（1）：5?7.

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[4] 黃曉宗，黃文剛，劉倫才.運算放大器共模抑制比的仿真與測試[J].微電子學，2012（2）：44?46.

[5] 塞德雷，史密斯.微電子電路[M].北京：電子工業出版社，2006.

[6] 李永安.Sallen?Key二階低通濾波器的OTRA實現[J].電子工程師，2005（10）：28?29.