Малошумящий усилитель переменного тока с цифровым управлением усилением и полосой пропускания

Philip Karantzalis

EDN

В малошумящих аналоговых схемах входные усилители с большим коэффициентом усиления позволяют увеличить отношение сигнал/шум. Усиление входного каскада определяется уровнем входного сигнала; наибольшего усиления требуют низкоуровневые сигналы. Также стандартной практикой при обработке аналоговых сигналов в системах с низким уровнем шумов является максимальное сужение полосы пропускания схемы, позволяющее выделять только спектр полезного входного сигнала. Цель конструирования схем с низким уровнем шумов заключается в оптимальном сочетании коэффициента усиления и полосы пропускания усилителя. В системе сбора данных цифровое управление усилением и полосой пропускания обеспечивает динамическую коррекцию изменений уровня и спектра входного сигнала. На Рисунке 1 показана упрощенная схема усилителя переменного тока, позволяющего управлять как усилением, так и полосой пропускания. Коэффициентом усиления схемы (Усиление A) управляет входной усилитель с программируемым усилением (programmable-gain amplifier, PGA). За PGA следует фильтр верхних частот первого порядка, образованный конденсатором C₁ и входным резистором R₁ схемы интегратора. Внутри петли обратной связи интегратора усиление второго PGA (Усиление B) умножает частоту среза интегратора по уровню –3 дБ, тем самым, управляя полосой пропускания.

Рисунок 1.	Такая конфигурация усилителя переменного тока позволяет управлять как усилением, так и полосой пропускания.

На Рисунке 2 показана реализация полной схемы с использованием двух PGA LTC6910-1 с цифровым управлением и сдвоенного операционного усилителя LT1884. Входная микросхема LTC6910-1 (IC₁) обеспечивает цифровое управление коэффициентом усиления от 1 до 100 с помощью трех цифровых входов, позволяющих выбрать значения 1, 2, 5, 10, 20, 50 и 100. Нижняя граница полосы пропускания схемы по уровню –3 дБ неизменна и установлена равной 1 Гц. Вторая микросхема LTC6910-1 (IC₃) находится внутри петли обратной связи интегратора (IC₂) на основе усилителя LT1884. Цифровое управление усилением интегратора превращается в цифровое управление полосой пропускания, изменяющее верхнюю частоту среза по уровню –3 дБ в диапазоне от 10 Гц до 1 кГц.

Рисунок 2.	Полная реализация схемы на Рисунке 1 работает с двуполярными источниками питания.

Сочетание малошумящего операционного усилителя LT1884 и PGA LTC6910-1 (9 нВ/√ Гц для каждого устройства) обеспечивает высокое отношение сигнал/шум схемы. Например, отношение сигнал/шум равно 76 дБ при входном сигнале 10 мВ пик-пик, коэффициенте усиления 100 и полосе пропускания 100 Гц или 64 дБ при входном сигнале 100 мВ пик-пик, коэффициенте усиления 10 и полосе пропускания 1 кГц. При использовании сдвоенного операционного усилителя LT1884, имеющего произведение коэффициента усиления на полосу пропускания 1 МГц, верхняя частота схемы может быть увеличена до 10 кГц путем уменьшения емкости конденсатора C₂. (Нижнюю частоту можно увеличить за счет уменьшения емкости C₁). Схема на Рисунке 2 работает от двух источников питания ±5.5 В. Можно превратить ее в схему с одним источником питания от 2.7 до 10 В, заземлив выводы 4 микросхем IC₁, IC₂ и IC₃, подключив между выводом 2 IC₂ и землей конденсатор емкостью 1 мкФ и соединив вывод 2 микросхемы IC₁ с выводами 3 и 5 микросхемы IC₂ и выводом 2 IC₃. На Рисунке 3 изображена частотная характеристика схемы на Рисунке 2 при единичном усилении и трех значениях полосы пропускания.

Рисунок 3.	Частотная характеристика схемы на Рисунке 2 при единичном усилении и трех значениях полосы пропускания.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices LT1884
2. Datasheet Analog Devices LTC6910-1