Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2015
David Hunter, Analog Devices
Analog Dialogue
До сих пор самой сложной частью генератора сигналов произвольной формы считалась конструкция выходного каскада. Амплитуды выходных сигналов типичных генераторов находятся в диапазоне от 25 мВ до 5 В. В схеме драйвера 50-омной нагрузки разработчики использовали высококачественные дискретные устройства, большое количество включенных параллельно интегральных схем или дорогие специализированные микросхемы и тратили уйму времени на то, чтобы добиться устойчивой, качественной работы выходного каскада в широком программируемом диапазоне (Рисунок 1). Теперь же, благодаря развитию технологии, появились усилители, способные работать на такие нагрузки и позволяющие упростить выходной каскад, снизить его цену и ускорить выход конечного изделия на широкий рынок.
 |
|
| Рисунок 1. | Типичная модель генератора сигналов. |
При использовании генераторов сигналов общего назначения необходимо ввести значение частоты, нажать кнопку, и прибор будет готов к работе на новой частоте. Затем следует установить требуемый уровень выходной мощности, и нажать кнопку еще раз. Щелкнут реле, переключая внутренние цепи, и амплитуда выходного сигнала изменится. Эти периодически повторяющиеся действия приходится выполнять для того, чтобы компенсировать отсутствие широкого динамического диапазона. В статье предлагается новое архитектурное решение, позволяющее решить половину проблем, связанных с конструкцией выходного каскада.
 |
|
| Рисунок 2. | Этот выходной каскад генератора меньше и проще. |
Этот подход базируется на двух ключевых элементах: высококачественном, высоковольтном, быстродействующем выходном каскаде с большим допустимым током и усилителе с регулируемым коэффициентом усиления (VGA) и протяженным участком линейной перестройки на логарифмической шкале. Предлагаемая схема рассчитана на полосу 20 МГц и амплитуду сигнала 22.4 В (+39 дБм) на нагрузке 50 Ом (Рисунок 2).
Новый компактный выходной каскад
Исходный сигнал может поступать из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), если требуется сигнал сложной формы, или из устройства прямого цифрового синтеза (DDS), когда необходимо сформировать синусоиду. В любом случае, его параметры и возможности управления мощностью могут быть неидеальными. Первым требованием является обеспечение ослабления или усиления сигнала с помощью VGA. Однако усиление многих VGA ограничено, и они достаточно редко подходят для рассматриваемого приложения.
Если на выходе VGA есть возможность установить необходимый уровень, то, независимо от величины сигнала на входе, на выходе может быть получена известная амплитуда. Например, если требуемая выходная амплитуда равна 2 В, а коэффициент усиления мощного выходного каскада равен 10, то на выходе VGA должен быть сигнал с амплитудой 0.2 В. При правильной конструкции выходного каскада амплитуда выходного сигнала будет в конечном счете определяться выходом VGA. К сожалению, узким местом здесь становится ограниченный диапазон программирования большинства VGA.
Типичный высококачественный генератор сигналов позволяет регулировать амплитуду выходного сигнала в диапазоне от 25 мВ до 5 В. Этот диапазон в 46 дБ превышает возможности большинства коммерчески доступных VGA. Микросхема AD8330 [1] была первым VGA, достигшим диапазона 50 дБ, но еще выше поднял планку усилитель AD8338 [2] – новый маломощный VGA с коэффициентом усиления, программируемым в диапазоне 80 дБ. В идеальных условиях это позволит изменять выходную амплитуду классического генератора сигналов от 0.5 мВ до 5 В без использования реле или переключательных схем. В этом случае регулировка была бы непрерывной по всему диапазону, свободной от разрывов, обусловленных работой переключателей и реле. Кроме того, исключение из схемы реле увеличивает срок службы прибора и повышает его надежность.
Современные ЦАП и цифровые синтезаторы сигналов часто имеют дифференциальные выходы, вынуждающие разработчиков использовать трансформаторы и терять на этом половину сигнала по сравнению с несимметричным выходом, или же добавлять преобразователь симметричного сигнала в несимметричный. AD8338 позволяет создать естественный, полностью дифференциальный интерфейс источника сигнала, пример которого показан на Рисунке 3. Для чисто синусоидальных приложений ЦАП заменяют на DDS.
 |
|
| Рисунок 3. | Пример схемы подключения ЦАП к микросхеме AD8338. |
Важнейшей особенностью AD8338 является гибкий входной каскад. В качестве входного VGA эта микросхема управляет входными токами, используя топологию «H-amp», придуманную сотрудником Analog Devices Барри Гильбертом (Barrie Gilbert). В предлагаемой статье для балансировки входных токов используется обратная связь, сохраняющая потенциалы внутренних узлов на уровне 1.5 В. В нормальных условиях при входном сигнале с максимальной амплитудой 1.5 В через входные резисторы сопротивлением 500 Ом потечет ток 3 мА. Если амплитуда входного сигнала будет больше, скажем 15 В, для «прямого» подключения к токовым входам VGA сопротивления надо пересчитать так, чтобы получить тот же ток 3 мА:
 |
(1) |
При несимметричном 15-вольтовом сигнале дифференциальное выходное напряжение будет равно 1.141 В. В этом случае при минимальном усилении AD8338 обеспечит ослабление 28.4 дБ, поэтому максимально возможное усиление будет равно +51.6 дБ. AD8338 – микросхема маломощная, и типичный размах напряжения на ее выходе при сопротивлении нагрузки 1 кОм составляет 1.5 В.
Исключительно ценной особенностью усилителя является то, что общий диапазон его коэффициентов усиления можно смещать в различные заданные точки. Прежде всего, определим выходное напряжение, необходимое для получения на выходе генератора сигнала максимальной мощности. Максимальная выходная мощность многих коммерческих генераторов равна лишь 250 мВт с.к.з. (+24 дБм) на нагрузке 50 Ом (при синусоидальном сигнале). Этого недостаточно для приложений, требующих большей выходной мощности, таких, например, как мощные высокочастотные усилители или ультразвуковые генераторы импульсов.
Последние достижения в технологии усилителей с обратной связью по току (current-feedback amplifier – CFA) снимают эту проблему. Микросхема CFA ADA4870 [3] в схеме с напряжением питания ±20 В может отдавать в нагрузку ток 1 А при напряжении 17 В. В случае синусоидального сигнала и полной нагрузки усилитель способен работать на частотах до 23 МГц, что позволяет рассматривать его в качестве идеального законченного выходного драйвера для следующего поколения генераторов сигналов общего назначения.
В чувствительных к отражениям 50-омных системах для согласования ADA4870 с импедансом источника потребуются некоторые пассивные компоненты: последовательный резистор и радиочастотный автотрансформатор с соотношением витков 1.5:1. С запасом в 1 В можно получить пиковую выходную мощность 8 Вт при эффективной нагрузке усилителя 16 Ом. Если же отражений не ожидается, согласующий резистор можно исключить, а соотношение витков автотрансформатора изменить на 0.77:1. Без резистора пиковая выходная мощность увеличивается до 16 Вт (амплитуда 28.3 В).
 |
|
| Рисунок 4. | Основной вариант включения ADA4870 для нагрузки 16 Ом и коэффициента усиления 10. |
Для оптимизации размаха выходного сигнала коэффициент усиления ADA4870 установлен равным 10, поэтому требуемая амплитуда входного сигнала будет равна 1.6 В (Рисунок 4). ADA4870 имеет несимметричный вход, в то время как выход AD8338 дифференциальный, поэтому для преобразования дифференциального сигнала в несимметричный, а также для получения требуемого усиления используется дифференциальный приемник с линии AD8130 [4] со скоростью нарастания выходного напряжения 1090 В/мкс и произведением усиления на полосу пропускания, равным 270 МГц. Выходной сигнал AD8338 ограничен уровнем ±1.0 В, следовательно AD8130 должен обеспечить промежуточное усиление, равное 1.6 В/В. Вместе три прибора образуют законченный выходной каскад генератора (Рисунок 5).
 |
|
| Рисунок 5. | Выходной каскад генератора сигналов. |
Последними шагами, завершающими разработку схемы, должны быть конфигурирование входной цепи и расчет антиалайзингового фильтра, а также конструирование выходной цепи для преобразования импеданса.
Материалы по теме
Купить AD8330 на РадиоЛоцман.Цены
