Сильноточный драйвер домашней линии электропитания

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2016

Ryan Metivier, Analog Devices

EDN

Сигналы домашних сетей, организованных на основе силовой электропроводки, очень похожи на сигналы цифровых абонентских линий xDSL тем, что в обоих случаях, как правило, используется какая-либо разновидность цифровой модуляции OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing – ортогональное частотное разделение каналов). Для обоих приложений требуются большие выходные токи, широкая полоса пропускания и хорошая линейность. В этой статье описывается простая схема драйвера линии для высокоскоростной передачи сообщений по проводам домашней электросети, разработанная на основе микросхемы драйвера xDSL. На Рисунке 1 показан усилитель с токовой обратной связью AD8391, включенный в цепь отрицательной обратной связи для передачи широкополосных дискретных мультитоновых сигналов по линиям домашней проводки. Преимущество обратной связи по току заключается в том, что она допускает гибкое увеличение усиления, не ограниченное произведением коэффициента усиления на полосу пропускания. AD8391 имеет полосу пропускания 60 МГц, скорость нарастания 600 В/мкс и нагрузочную способность 250 мА, что идеально соответствует условиям решаемой задачи.

Рисунок 1.	Используемая в драйвере xDSL технология токовой обратной связи позволяет создать эффективный драйвер линии электропитания.

Схема на Рисунке 1 питается от источника 5 В, имеет коэффициент усиления напряжения, равный

и нагружена на сопротивление 33 Ом. Импеданс электросети может сильно различаться от дома к дому; нагрузка 33 Ом имитирует наихудший случай. К электрической сети драйвер подключается через трансформатор. Пиковая амплитуда выходного сигнала, подаваемого на дифференциальную линию сети (фаза и нейтраль), равна 2.8 В при отношении пикового значения к среднему 4 В/В. Резистор обратной связи R_F и резистор R_G, задающий коэффициент усиления, обеспечивают максимальную полосу пропускания и устойчивость схемы. Приемлемая для этого приложения полоса пропускания равна примерно 30 МГц. Следующая формула показывает зависимость полосы пропускания с замкнутой цепью обратной связи (f_C) от сопротивлений резисторов R_G и R_F для усилителей с обратной связью по току.

В этой формуле:

C_P – внутренняя емкость, определяющая частоту среза трансимпедансной передаточной функции с разомкнутой обратной связью;
R_IN – входной импеданс инвертирующего вывода каждого усилителя.
(C_P и R_IN на Рисунке 1 не показаны).

Рисунок 2.	Выходной спектр драйвера линии электропитания (Рисунок 1) показывает, что в наихудшем случае искажения пустого тона равны –35 дБн.

Важно отметить, что в выражении доминирует R_F, и, таким образом, именно от этого резистора зависит полоса пропускания при замкнутой обратной связи. Входные резисторы 49.9 Ом служат для согласования схемы с источником сигнала. Сопротивления этих резисторов нужно подбирать для каждого приложения. Четыре конденсатора 0.1 мкФ обеспечивают емкостную связь входных и выходных линий по переменному току. Тестовый сигнал образован суммой 75 синусоид с псевдослучайным распределением фаз. Каждый тон тестового сигнала может иметь одну из четырех фаз, чтобы таким образом эмулировать сигнал с квадратурной фазовой манипуляцией (quadrature phase-shift keying – QPSK). Синусоиды располагаются ортогонально в пространстве от 4 до 21 МГц, оставляя пустыми радиолюбительские диапазоны. Рисунок 2 показывает, что в наихудшем случае искажения пустого тона равны –35 дБн. Этот спектр адекватно отражает поведение большинства реальных приложений, работающих на линии силовой электропроводки. Тот же выходной сигнал во временной области изображен на Рисунке 3.

Рисунок 3.	Характеристики драйвера линии электропитания во временной области.

Материалы по теме