Введение в программируемые дифференциальные усилители

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2014

Loren Siebert, Texas Instruments

EDN

Сложность высокоскоростных систем постоянно увеличивается, а циклы их разработки укорачиваются, что вынуждает инженеров искать не только высококачественные, но и гибкие в использовании компоненты, облегчающие конструирование их системы. Один из подходов заключается в использовании компонентов с высокими, но легко перенастраиваемыми характеристиками, что позволяло бы устранять проблемы, обнаруженные на последних этапах разработки. Найти компоненты, которые были бы одновременно и высококачественными, и гибкими в перенастройке, достаточно трудно. Теперь появился новый класс дифференциальных усилителей, отвечающий этим запросам инженеров.

В статье рассказывается об архитектурных особенностях первого в отрасли программируемого дифференциального усилителя (programmable differential amplifier – PDA), обеспечивающих простоту установки коэффициента усиления напряжения, независимость полосы пропускания от усиления, постоянство входного импеданса при любом усилении, отличную линейность и низкий коэффициент шума. PDA сравнивается с полностью дифференциальным усилителем (fully differential amplifier – FDA) и усилителем с цифровой установкой усиления (digital variable gain amplifier – DVGA). Обсуждаются также вопросы конфигурирования входов PDA и управления его коэффициентом усиления.

Первый в отрасли PDA LMH6881 является высококачественным широкополосным полностью дифференциальным усилителем. При полосе пропускания 2.4 ГГц и точке пересечения интермодуляции третьего порядка по выходу (OIP3) 44 дБм он может использоваться в широчайшем спектре приложений, от радиооборудования до высокоскоростных испытательных и измерительных систем. PDA сочетает в себе лучшие черты FDA и DVGA. Усилитель имеет прекрасные шумовые характеристики и низкие искажения во всем диапазоне коэффициентов усиления, для задания которых не требуются внешние резисторы, что позволяет использовать одно устройство во множестве приложений, требующих различных установок усиления.

Сравнение PDA с FDA

При конструировании PDA ставилась задача создания дифференциального усилителя, максимально простого в применении. Он может использоваться вместо традиционных полностью дифференциальных усилителей с фиксированным усилением (Рисунок 1). Простота задания коэффициента усиления позволяет вносить схемные коррективы в последние минуты разработки, приспосабливая схему к изменениям в других частях сигнальной цепочки.

Рисунок 1.	Типичная схема включения программируемого дифференциального усилителя.

Для установки коэффициента усиления традиционных FDA требуются внешние элементы обратной связи (Рисунки 4 и 5). Усиление PDA может быть легко установлено либо с помощью набора внешних выводов, либо путем программирования внутреннего регистра через последовательный интерфейс SPI. В приложениях с неизменным усилением внешние выводы управления можно напрямую подключать к шинам земли или 5 В.

PDA может использоваться также в устройствах, требующих быстрых изменений усиления. В режиме параллельного управления для смены коэффициента усиления требуется всего 20 нс. PDA не нуждается во внешних резисторах для установки коэффициента усиления с замкнутой петлей обратной связи. Усиление может программироваться либо приращениями по 2 дБ с помощью внешних выводов, либо с шагом 0.25 дБ через внутренний регистр усиления, для доступа к которому используется шина управления, совместимая с SPI.

Рисунок 2.	Семейство амплитудно-частотных характеристик PDA. Шаг приращения коэффициента усиления 4 дБ.

В отличие от типичных FDA, PDA имеют неизменные характеристики полосы пропускания в широком диапазоне коэффициентов усиления напряжения. У FDA полоса пропускания, коэффициент шума и искажения существенно изменяются в доступном диапазоне усилений. При изменении коэффициента усиления замкнутого контура FDA значительно изменяется петлевое усиление. Как видно из Рисунка 2, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) PDA нечувствительна к коэффициенту усиления напряжения. Для сравнения на Рисунке 3 представлена АЧХ традиционного FDA, заимствованная из подробного технического описания.

Рисунок 3.	Амплитудно-частотная характеристика традиционного FDA.

Между входами дифференциальных сигналов включен внутренний согласующий резистор 100 Ом, сопротивление которого не зависит от усиления. Напротив, входной импеданс FDA необходимо балансировать, используя реалистичные значения сопротивлений, задающих усиление. На Рисунках 4 и 5 показаны две схемы FDA с коэффициентами усиления 8 дБ и 26 дБ. Из этого примера очевидно, как сильно меняется входное сопротивление схемы в зависимости от установленного усиления. Кроме входного сопротивления различными будут и шумы, вносимые внешними резисторами.

Рисунок 4.	Обычный FDA с коэффициентом усиления 8 дБ.	Рисунок 5.	FDA с коэффициентом усиления 26 дБ.

Сравнение PDA с DVGA

Внутренняя архитектура PDA такова, что с изменением усиления коэффициент шума изменяется медленнее, чем в обычных DVGA (Рисунок 6). Благодаря этому у PDA во всем диапазоне коэффициентов усиления сохраняется хорошее значение параметра DRF (о котором будет сказано чуть ниже).

Рисунок 6.	Сравнение коэффициентов шума PDA и традиционного DVGA.

Из Рисунка 7 видно, что OIP3 у PDA во всем диапазоне коэффициентов усиления изменяется незначительно. Более того, и зависимость коэффициента шума также не столь велика, как у большинства усилителей с регулируемым коэффициентом усиления. При изменении коэффициента усиления на 20 дБ коэффициент шума меняется только на 12 дБ.

Рисунок 7.	Характеристикой динамического диапазона усилителя является параметр DRF, основанный на OIP3 и коэффициенте шума.

Расчет количественных показателей качества

Для количественной оценки динамического диапазона PDA введен параметр DRF (dynamic range figure). Его получают вычитанием коэффициента шума из точки пересечения интермодуляции третьего порядка по входу. DRF является хорошим приближением к общему динамическому диапазону усилителя. У традиционных DVGA DRF максимален при наибольшем усилении, и быстро падает из-за роста коэффициента шума при установках более низкого усиления. Для PDA максимальное значение DRF находится в середине диапазона коэффициентов усиления напряжения, и немного меняется по мере смещения к краям диапазона.

График на Рисунке 8а демонстрирует взаимосвязь между DRF и максимально достижимым динамическим диапазоном входа усилителя. В этом примере ширина полосы пропускания канала равна 20 МГц, а полный динамический диапазон представляет собой разность между пиковой амплитудой двух интермодуляционных частот и уровнем шума. Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих, будет максимальным, когда мощность паразитного сигнала, обусловленного интермодуляционными искажениями третьего порядка (IMD3), равна уровню шума. Сказанное иллюстрируется Рисунком 8б. Видно, что рост пиков IMD3 втрое обгоняет рост выходной мощности. При снижении выходной мощности уровень шума не меняется, несмотря на то, что амплитуда пиков IMD3 уменьшается.

Рисунок 8а.	Связь динамического диапазона с DRF.	Рисунок 8б.	Иллюстрация динамического диапазона усилителя.

Конфигурации входов PDA

Два вывода дифференциального входа PDA позволяют подключить полностью дифференциальный сигнал (Рисунок 9). Входной импеданс задан внутренним резистором 100 Ом, поэтому внешние резисторы для стандартных источников сигнала не нужны. Если же потребуется более высокое входное сопротивление, можно использовать внешние резисторы. Кроме того, PDA имеет специальные входы для подключения несимметричных сигналов.

Рисунок 9.	Конфигурация входов для несимметричного сигнала.

При использовании несимметричных входов PDA можно сконфигурировать для приема сигналов от 50-омного источника. В этом случае нужен лишь один внешний резистор сопротивлением 50 Ом. Для сравнения на Рисунке 10 показано, что потребуется для установки входного импеданса схемы с традиционным FDA в случае подключения несимметричного сигнала. Необходимость изменения сопротивлений резисторов для каждого коэффициента усиления еще больше усложняет задачу. Новой архитектурой PDA обеспечивается неизменное входное сопротивление 50 Ом, независящее от установленного усиления.

Рисунок 10.	Расчет входного импеданса схемы с традиционным FDA.

PDA обладают множеством достоинств, включая постоянство полосы пропускания, фиксированный входной импеданс, отличную линейность и хороший коэффициент шума. Совокупность этих атрибутов делает простым использование PDA в сложных системах, или в системах, требующих внесения изменений на последней стадии разработки.

Рисунок 11.	Оценочная плата для PDA LMH6881.

Быстро протестировать PDA и начать работу над проектом позволит оценочная плата, показанная на Рисунке 11. Чтобы сделать плату более универсальной и простой в использовании, на ней установлены трансформаторы, преобразующие входные и выходные дифференциальные сигналы PDA в несимметричные 50-омные сигналы. Установить коэффициент усиления можно либо с помощью синего DIP-переключателя, либо внешними сигналами, подаваемыми на штыревой разъем.

Заключение

Конструирование схемы на быстродействующих операционных усилителях может оказаться непростой задачей. Достаточно сложно получить высокий уровень характеристик, одновременно удовлетворяющих многочисленным требованиям технического задания, таким как полоса пропускания, шумы и входной импеданс. Большинство разработчиков согласится с тем, насколько утомительной может быть повторная оптимизация цепи прохождения сигнала при изменении коэффициента усиления. Новый класс дифференциальных усилителей позволяет гибко и без затрат усилий создавать сигнальные цепочки, используя одну микросхему и одну конструкцию в широком диапазоне приложений.