Радиолоцман Электроника en
расширенный поиск +
  

17-02-2009

Усилитель с цифровой установкой коэффициента усиления использует экспоненциально нарастающую характеристику

Экспоненциальное нарастание и отрицательная временная константа являются краеугольными камнями DENT (экспоненциальное нарастание с отрицательной временной константой) топологии усилителей с цифровым программированием коэффициента усиления.

DPGA (усилители с цифровым программированием коэффициента усиления) являются распространенными компонентами обработки сигнала там, где АЦП должен обработать сигнал с широким динамическим диапазоном. Без возможности привести амплитуду входного сигнала к номинальному и эффективно использовать входной диапазон АЦП, слабые входные сигналы не могут быть оцифрованы с требуемым разрешением, а сильные сигналы могут перегрузить АЦП, и информация о них может быть полностью потеряна.

Конструкция выпускаемых в настоящее время DPGA обычно содержит умножающий ЦАП в цепи обратной связи операционного усилителя, таким образом входной код умножающего ЦАП устанавливает коэффициент усиления петли обратной связи усилителя. Некоторые выпускаемые интегральные DPGA, такие как LTC6910 компании Linear Technology и LMP8100 компании National Semiconductor построены по этой топологии. Но биты установки величины усиления DPGA не могут иногда задать нужную величину и диапазон выходного сигнала этих микросхем, например они не могут работать с диапазоном ±10В входного сигнала АЦП. Кроме того, разрешение установки коэффициента усиления обычно достаточно грубое – например, 2 к 1 на каждый шаг выбора усиления, а сами микросхемы имеют большое потребление энергии.

В отличие от них, в этой идее конструкции описывается новый тип DPGA, который имеет в основе концепцию экспоненциально нарастающей характеристики. Наверное нет характеристики более простой и более знакомой, чем e–t/RC – убывающая экспонента – асимптотический разряд до нуля элементарной RC цепочки, первоначально заряженной до входного напряжения VIN, где V=VIN/2 при t=T=loge(2)RC, VIN/4 при t=2T, VIN/8 при 3T, и так далее. Менее знакомой, но такой же простой, является характеристика той же RC топологии при замене R на активную схему, которая создает отрицательное сопротивление (рис.1). Замена R на –R делает постоянную времени RC отрицательной: –RC, и характеристика становится экспоненциально нарастающей, VINxe+t/RC. Таким образом, в отличие от стремления к нулю, эта характеристика стремится теоретически к бесконечности и принимает значения V=2VIN при t=T, 4VIN при 2T, 8VIN при 3T, и так далее. Таким образом, не имеет значения, насколько малым может быть входной сигнал, можно усилить его до требуемой величины, просто выждав требуемый период времени = t=log2(V/VIN)T после начала нарастания.

https://www.rlocman.ru/i/Image/2009/02/17/1.gif

Экспоненциальное нарастание и отрицательная временная константа являются краеугольными камнями DENT (экспоненциальное нарастание с отрицательной временной константой) топологии DPGA (рис.2). Когда бит управления «усиление/слежение» устанавливается в логическую единицу, двукратное неинвертирующее усиление повторителя на базе операционного усилителя создает отрицательную константу времени: –(R+1RON)(C+CSTRAY)=–14.4мкс, где RON это сопротивление открытого состояния КМОП переключателя, а CSTRAY это паразитная емкость элементов окружающих C (рис.3).

https://www.rlocman.ru/i/Image/2009/02/17/2.gif

https://www.rlocman.ru/i/Image/2009/02/17/3.gif

Это так же создает экспоненциально нарастающую зависимость: VOUT(t)=VIN x2(t/10 µsec+1). Таким образом, усиление=2(t/10 µsec+1). Временное разрешение 1 мкс бита управления усилением обеспечивает разрешение программирования усиления 1.07-к-1=0.6 дБ = 33 шага на декаду. На рис.4 приведен график зависимости усиления напряжения от времени прошедшего с момента изменения состояния бита слежение/усиление. В отличие от интегральных PGA, в DENT используются дискретные элементы, такие как операционные усилители и ключи, таким образом можно легко согласовывать параметры: такие как диапазоны входного и выходного напряжения – отрицательное входное напряжение и амплитуда 10 В – выбором соответствующих компонентов и параметров источника питания.

https://www.rlocman.ru/i/Image/2009/02/17/4.gif

Точность и повторяемость временных параметров при формировании экспоненты, время выборки АЦП и стабильность постоянной времени RC цепочки ограничивают реальные характеристики усилителя при программировании усиления и его стабильность. В демонстрационной схеме, при T=14.4 мкс, 1 нс ошибка времени усиления соответствует 0.007 % ошибке программируемого коэффициента усиления. К счастью, широкое распространение аппаратных программируемых таймеров в распространенных микроконтроллерах и устройствах сбора данных обычно облегчает цифровое формирование точного повторения циклов управления «слежение/усиление». В аналоговой части схемы существует возможность создать алгоритм самокалибровки, который обеспечит точность установки усиления и снизит требования к точности компонентов RC цепочки, но это остается за пределами описания этой идеи конструкции.

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Рекомендуемые публикации по теме:
Схемы  »
Переключаемый конденсатор и отрицательная константа времени образуют инструментальный усилитель с цифровой установкой коэффициента усиления
Схемы  »
Инвертирующий усилитель класса АВ использует две изолированные ячейки усиления
Форум  »
Обсуждение: Инвертирующий усилитель класса АВ использует две изолированные ячейки усиления
Форум  »
Обсуждение: Неинвертирующий операционный усилитель с простой формулой для коэффициента усиления
Схемы  »
Неинвертирующий операционный усилитель с простой формулой для коэффициента усиления

При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна.

Приглашаем авторов статей и переводов к публикации материалов на страницах сайта.

Срезы ↓
Осциллограф Rohde Schwarz RTB2002
Осциллограф Rohde&Schwarz RTB2002
Цена: от 128 тыс. руб.
Доставка: Россия
Тепловизор Fluke TiX580
Тепловизор Fluke TiX580
Диапазон измеряемых температур: от 20 до +800 °C
Цена: от 1 458 000 руб.
Доставка: Россия
Лазерный дальномер Leica Disto D1
Дальномер Leica Disto D1
Дальность измерения: 0.2 - 40 м
Цена: от 4 999 руб.
Доставка: Россия
Рейтинг@Mail.ru