直流阻断滤波器设计

示波器对于硬件设计师来说是至关重要的设备，它们能够帮助设计师理解电路的行为。清楚地了解你的测量设备的限制是非常重要的，包括探头的限制，例如探头增益和带宽、通道输入阻抗以及通道的最大输入电压。例如，大多数示波器在使用高阻抗输入终止时只有交流耦合选项，但对于50欧姆来说不是这样，任何超过信号输入电压限制的直流偏置都可能完全损坏示波器输入通道。

同时，你可能仍然想要测量噪声、电源分配网络上的瞬态响应或具有未知或高直流偏置水平的高速传感器数据，这要求你使用50欧姆输入终止。这是否意味着你根本无法测量信号？答案可能会让人不意外，那就是“这取决于情况”。在这些情况下，必须在示波器输入上使用直流阻断滤波器，以保护通道免受过高的直流偏置电压损害。本文将向你展示如何设计、模拟和验证你可以自己构建的设计。

示波器探头的直流阻断滤波器

我最近正在进行的项目与电源、电源分配网络以及一些非常高速的信号有关，它们需要精确的测量来进行性能验证。虽然使用高端探头将有助于减少不利影响，但对于关键信号测量，我更喜欢通过同轴电缆直接将板连接到示波器，从而消除任何探头效应和带宽限制。也就是说，像许多被动探头那样，不再有可调的衰减因子，使得示波器的输入通道容易受到超出限制的过电压损害。

直流滤波电路

不幸的是，我的示波器在使用50欧姆输入终止时有±5V的最大限制，这意味着如果我需要测量噪声或带有超过5V直流偏置的信号，我会损坏示波器。市面上有很多现成的直流阻断滤波器可以购买。然而，那并不太有趣。直流阻断滤波器只是一个RC高通滤波器，示波器中的50欧姆终止就是公式中的电阻。因此，我们可以用一个与信号串联的单个电容器构建一个简单而有效的阻断滤波器。

如上面的截图所示，我们的直流阻断滤波器需要的元件并不多。一个阻断电容（C1）被串联在输入和输出的中间信号上。为了给电路板提供更多潜在的未来功能，阻断电容两侧各增加了两个0402焊盘，这些焊盘将不会被贴装。由于在制造完成的PCB上无法后期添加焊盘，只要电路板空间足够，总是好的做法是预留一些空闲焊盘，以便于任何必要的返工或改进，只要这不影响强制性功能和性能。

PCB布局

虽然从布局的角度来看这是一个相当简单的电路板，但在考虑信号完整性时，仍有一些调整可以使其性能更好，特别是当考虑到超过6GHz的目标频率时。对于高频率-高带宽信号，尽可能减少路径中的干扰非常重要，这意味着应最小化支路和阻抗不连续性。因此，0402焊盘已被修改为与50欧姆轨道同宽，同时确保有足够的焊膏牢固地固定元件。

此外，我在SMA连接器的导体下方的顶层添加了一个多边形切口，以减少寄生电容，从而更好地匹配阻抗。在这个话题上，我之前遇到过SMA连接器无法牢固地贴合到电路板上并且存在可靠性问题，因为如果焊盘较小，焊锡就不够，所以我更倾向于有一个稍大的焊盘。最终，这只是设计生命周期中设计师可能面临的工程折衷之一，但值得注意。关于布局的最后一点，增加了大量的缝合通孔，以增加层间的结合，确保电路板周围有一个无瑕疵的回流路径，并且没有内部空腔使能量四处反弹。

Altium Designer有一个我从第一次使用它开始就非常喜欢的绝妙功能：面板化。它允许我们通过将一个电路板嵌入到另一个电路板中来创建自定义面板，只要它们共享相同的堆叠。看看下面我面板的截图，你会迅速意识到它们以45度角嵌入到面板中。

标准FR4介电材料因其成本效益高且在全球所有制造厂都能轻松获得，对我们许多人来说是显而易见的选择；它适用于许多应用场景。然而，它是由编织的玻璃纤维丝和环氧填料组成的，这两种材料的介电常数差异很大。尽管如此，对于多种设计来说，介电常数的变化可以忽略不计，但当信号的上升时间或带宽很高，或者当模拟信号的波长与编织物中的腔体大小相似时，这种变化变得更为关键。因此，对于射频或非常高频的电路板，FR4并不是首选，而是会选择一种更为均匀的材料，这通常要贵得多。

尽管如此，我还是在我的DC阻断滤波器中使用了标准FR4。我希望设计能够良好地工作，超过我的示波器最大6GHz的带宽。由于成本或材料可用性的原因，使用非标准介电材料进行原型设计并不总是可能的。因此，对关键信号进行之字形布线或倾斜放置面板可以是减少纤维编织效应的快速解决方法——这只是另一个工程折衷。将我的电路板倾斜放置将确保所有电路板的传输线中纤维束和树脂均匀分布，这意味着我们不会遇到一些电路板上的信号位于纤维丝上，而其他电路板上的信号位于树脂上，导致电路板之间的性能不同。

电路仿真和元件测试

对滤波器元件值进行理论计算是一个很好的起点，它们将指导你了解测试设备屏幕上的预期结果。尽管使用理想元件可能并不总是那么现实，但模拟看到的响应总是更好。然而，应该包括元件特定的模型和寄生效应。

我们可以使用Altium的集成仿真工具来估计滤波器的性能。我们正在寻找一个高通响应，截止频率将告诉我们哪些频率会被我们的DC阻断滤波器衰减。根据计算，选择30pF电容器的截止频率约为50MHz，Altium仿真工具的结果显示确实如此。

我们都非常清楚，现实世界中不存在理想的组件。不幸的是，所有的电路板都会有寄生电容和寄生电感。我正在使用我的Rohde & Schwarz LCX200高精度LCR表来测量电路板的实际寄生参数。我已经在SMA连接器上焊接了几个针脚头，以便轻松地将电路板安装在我的LCR表的通孔夹具中。LCX200使我能够测量导体与地之间的电容，以及包括寄生效应在内的串联电容，分别为5.8pF和32pF。

现在，我可以更新模拟以反映现实世界电路板的效果。在模拟中将串联电容更改为32pF，然后在我们的隔离电容器的两侧各添加一半的导体至地电容，将导致新的实际截止频率大约为54MHz。

测试电路板

在了解了预期结果之后（Bogatin博士的经验法则#9：在预期看到的结果之前，永远不要进行测量或模拟），现在是时候测试这块电路板，以验证模拟并查看上限频率了。矢量网络分析仪是这块电路板的正确设备。我正在使用Rohde & Schwarz ZNB8 4端口VNA，最大频率为8.5 GHz。校准仪器后，我们可以连接DC阻断滤波器板和我们将连接到测试板的电缆。

校准之后，让我们来看看直流阻断滤波器的截止频率。我在迹线上添加了一个标记来搜索 -3dB 点，我的矢量网络分析仪显示它在大约 51MHz，这与模拟结果很吻合。任何低于 50MHz 的频率都将受到相当大的衰减。然而，验证这个滤波器的通带区域对信号应该是相当透明的是很重要的。我将起始频率改为 75 MHz，停止频率改为 8.5GHz，以将严重的低频衰减区域移至屏幕外。幸运的是，没有找到 -3dB 点的结果，我们在 7.6GHz 有一个最小峰值，略高于 -3dB 点。这是一个相当令人满意的结果，我感兴趣的频率范围内的损失不会影响我的测试结果。

这块板子是在 MIT 许可下的开源项目；你可以在我的 GitHub 上抓取 Altium 项目文件，并以购买直流阻断滤波器的一小部分成本来制作你的板子。使用 Altium 的仿真工具尝试不同的电容器，以确定你需要的截止频率的正确值。我还发布了这块板子的第二版本，它有两个串联组件的空间，如果你还需要对信号进行衰减或想要构建更复杂的滤波器，这是完美的。

在设计你自己的滤波器时要记住的最后一点是使用高质量的电容器，理想情况下是那些专为射频使用的，如果你需要一个可以达到像我这样的高频率的直流阻断滤波器。另一个考虑因素是阻断电容器的电压等级。这些只是 0402 尺寸的电容器，所以如果你使用更大的电容器值来降低阻断频率，你很快会发现自己使用的是电压等级更低的电容器。

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