Преобразователь напряжение-частота с динамическим диапазоном 160 дБ и максимальной частотой 100 МГц

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2016

Jim Williams

EDN

Изображенная на Рисунке 1 схема преобразователя напряжение-частота (ПНЧ) отличается расширенным динамическим диапазоном и более высокой выходной частотой в верхней части шкалы – 100 МГц с 10-процентным запасом до 110 МГц, что на порядок больше, чем у любого имеющегося в продаже преобразователя. Динамический диапазон 160 дБ перекрывает восемь декад входного сигнала 0 … 5 В, причем устойчивая непрерывная работа устройства возможна на самых низких частотах вплоть до 1 Гц. Линейность ПНЧ составляет 0.1%, температурный дрейф коэффициента преобразования равен 250 ppm/°C, а уход частоты при изменении напряжения питания на 10% не превышает 0.1 %. Схема питается от единственного источника +5 В.

Рисунок 1.	Этот преобразователь напряжение-частота, работающий от единственного источника питания 5 В, имеет динамический диапазон 160 дБ, соответствующий изменению выходной частоты от 1 Гц до 100 МГц.

МДМ усилитель LTC1150 (усилитель с модуляцией-демодуляцией сигнала) управляет очень простым, но широкодиапазонным ядром генератора, состоящим из биполярных транзисторов Q₁ и Q₂ и инверторов IC_2A и IC_2B. Имеющий логические уровни выходной сигнал ядра генератора поступает на счетчик-делитель на 4, собранный из двух D-триггеров микросхемы 74AHC74 (IC₃), выход которого, в свою очередь, тактирует микросхему 74HC4060, сконфигурированную счетчиком-делителем на 16.

Прошедший через делители IC₃ и IC₄, поделенный на 64 сигнал генераторного ядра управляет зарядовым насосом, собранным на микросхеме LTC6943 (IC₅) и связанных с ней компонентах. В суммирующем узле схемы появляется усредненная разность выходного напряжения зарядового насоса и напряжения, приложенного к входу, смещающее вход IC₁ и, тем самым, разрывающее контур управления широкодиапазонным ядром генератора. Высокое быстродействие и исключительный динамический диапазон схемы определяются характеристиками ядра генератора, цепью обратной связи, образованной делителями и зарядовым насосом, и низкими погрешностями входов микросхемы IC₁ по постоянному току. IC₁ и IC₅ способствуют стабилизации рабочей точки схемы, улучшая ее общую линейность и устойчивость. Кроме того, низкий дрейф смещения усилителя IC₁ позволяет установить крутизну преобразования равной 50 нВ/Гц и работать на частоте до 1 Гц при температуре 25°C.

При подаче положительного напряжения уровень выходного сигнала IC₁ становится низким и изменяет смещение на базе Q₁. В свою очередь, коллекторный ток открывшегося транзистора Q₁ заряжает конденсатор C₁, напряжение на котором начинает линейно нарастать (верхняя осциллограмма на Рисунке 2). Линейный рост продолжится до тех пор, пока напряжение не достигнет порога переключения инвертора IC_2A с входным триггером Шмитта, на выходе которого установится логический «0», и C₁ будет разряжаться через транзистор Q₂ (включенный диодом с низким током утечки). Разряд конденсатора C₁ сбрасывает выход IC_2A, устанавливая на нем высокий логический уровень, и цикл нарастание-сброс начинает повторяться вновь.

Рисунок 2.	Форма сигналов ядра генератора, работающего на частоте 40 МГц, на экране осциллографа реального времени с полосой пропускания 700 МГц: верхний луч – цикл нарастание-сброс на коллекторе Q1, нижний луч – эмиттер Q2.

Хотя ток утечки диода JPAD500 (D₁), выпускаемого фирмой Linear Systems, и доминирует над всеми паразитными токами в ядре генератора, его сверхнизкое значение, не превышающее 500 пА, позволяет гарантировать надежную работу даже на частотах до 1 Гц. Две секции зарядового насоса IC₅ работают противофазно и передают заряд по каждому фронту тактового сигнала. Критическими компонентами для стабильности зарядового насоса являются 2.5-вольтовый источник опорного напряжения LT1460 (IC₆), два фольговых конденсатора Wima FKP-2 с полипропиленовой пленочной изоляцией, конденсаторы C₄ и C₅ емкостью 100 пФ и внутренние ключи микросхемы IC5, которые должны иметь минимальные значения инжекции заряда.

Конденсатор C₇ емкостью 0.22 мкФ усредняет и сглаживает разностный сигнал между входом схемы и выходом зарядового насоса. Это сглаженное постоянное напряжение поступает на вход усилителя IC₁, который, в свою очередь, управляет смещением на базе транзистора Q₁ и, в конечном счете, рабочей точкой схемы. Как уже отмечалось, в таком замкнутом контуре слежения уменьшается дрейф частоты генератора и еще больше повышается его линейность. Металлопленочный конденсатор C₈ емкостью 1 мкФ (типа Wima MKS-2) корректирует частотную характеристику преобразователя, улучшая стабильность следящей системы. Хорошая работа петли слежения иллюстрируется Рисунком 3, показывающим отклик схемы (нижняя осциллограмма) на скачок входного напряжения (верхняя осциллограмма).

Рисунок 3.	При скачке входного напряжения (верхняя осциллограмма) новое напряжение в суммирующей точке схемы устанавливается за 30 мс.

Для получения желаемых характеристик схемы требуется принять во внимание некоторые соображения и использовать определенные специальные приемы. Ток утечки диода D₁ преобладает над всеми остальными паразитными токами на входе IC_2A, поэтому Q₁ всегда должен обеспечивать вытекающий ток, достаточный для того, чтобы поддерживать генерацию и устойчивую работу на частотах до 1 Гц.

100-мегагагерцовая шкала схемы накладывает жесткие ограничения на время цикла ядра генератора, оставляя лишь 10 нс на завершение последовательности нарастание-сброс. Однако верхняя осциллограмма на Рисунке 2 наглядно показывает, что 6-наносекундный интервал сброса с запасом умещается внутри 10-наносекундного интервала. Путь от входа схемы до выхода зарядового насоса позволяет скорректировать небольшие нелинейности, обусловленные инжекцией остаточного заряда. Действенность этой коррекции определяется тем, что эффекты инжекции заряда напрямую зависят от частоты генерации, пропорциональной входному напряжению.

Несмотря на то, что для сборки прототипов и небольших партий вы можете использовать компоненты с номиналами, указанными на Рисунке 1, для оптимальной технологичности крупносерийного производства вам потребуется отбор компонентов. Список необходимых значений номиналов некоторых компонентов и ожидаемые процентные доли приборов, соответствующих критериям отбора, приведен в Таблице 1. Наиболее важные компоненты схемы перечислены в примечаниях на Рисунке 1.

Таблица 1.

Критерии выбора компонентов.

Компонент Критерий отбора при 25 °C Типичная доля от всей партии (%) Q1 Обратный ток коллектора менее 20 пА при напряжении 3 В 90 Q2 Ток утечки перехода эмиттер-база менее 20 пА при напряжении 3 В 90 D1 75 пА при напряжении 3 В; обратный ток менее 500 пА 80 IC2A Входной ток менее 25 пА 80 IC1 Входной ток менее 5 пА при напряжении питания 5 В 90 IC2A, IC2B Должны переключаться входным импульсом длительностью 3.6 нс (по уровню 50%) 80

Для калибровки схемы подайте на ее вход напряжение 5 В и подстроечным резистором R7 «100 МГц» установите частоту выходного сигнала равной 100 МГц. Затем соедините вход с землей и подстроечным резистором R₁₄ установите на выходе 1 Гц. При этом задайте увеличенное время измерения частотомера, поскольку на такой частоте обновление состояния зарядового насоса происходит один раз в 32 секунды. Обратите внимание, что диапазон подстройки R₁₄ позволяет менять напряжение смещения от положительного значения до отрицательного, поскольку вывод CLK микросхемы IC₁ (выход тактовых импульсов) создает отрицательное напряжение на левом по схеме выводе R₁₄. Теперь подайте на вход 3 В и, вращая потенциометр R₉, сделайте выходную частоту равной 60 МГц. Настройки в определенной степени влияют друг на друга, поэтому повторяйте процесс до тех пор, пока не удастся достичь оптимальных значений всех трех калибровочных частот.

Материалы по теме