سایر

تقویت کننده لگاریتمی فرکانس بالا

تقویت کننده لگاریتمی فرکانس بالا

فهرست مطالب

تقویت‌کننده لگارتیمی آپ‌امپی یا دیودی (یا آپ‌امپی یا ترانزیستوری) کلسیک از پاسخ فرکانسی محدود، به ویژه در سطوح پایین رنج می‌برد. بنابراین، برای کاربردهای فرکانس بالا معماری‌های لگاریتمی حقیقی یا آشکارساز بکاربرده می‌شوند. اگرچه اینها در جزییات متفاوت هستند، اصول کلی طراحی آنها مشترک است: بجای یک تقویت‌کننده با مشخصه لگاریتمی، این طراحی‌ها از تعدادی طبقات خطی آبشاری مشابه با رفتار سیگنال بزرگ مناسب استفاده می‌کنند.   

N تقویت‌کننده محدودکننده آبشاری را درنظربگیرید، خروجی هرکدام یک مدار جمع‌کننده و همچنین طبقه بعدی را راه اندازی می کند (شکل 1). اگر بهره هر تقویت‌کننده A dB باشد، بهره سیگنال کوچک این زنجیره NA dB می‌شود. اگر سیگنال ورودی به اندازه کافی کوچک باشد و تا آخرین طبقه محدود نشود، خروجی آخرین طبقه بر خروجی تقویت‌کننده جمع‌کننده غلبه خواهدکرد.

معماری تقویت‌کننده لگاریتمی چندطبقه پایه
شکل 1. معماری تقویت‌کننده لگاریتمی چندطبقه پایه

با افزایش سیگنال ورودی، آخرین طبقه محدود می‌کند. اکنون یک سهم ثابت در خروجی تقویت‌کننده جمع‌کننده ایجاد می‌کند، اما بهره افزایشی تقویت‌کننده جمع‌کننده به N-1)dB) کاهش خواهدیافت. همانطورکه ورودی افزایش می‌یابد، آخرین طبقه به نوبه خود محدود می‌کند و سهم ثابتی در خروجی ایجاد می‌کند، و بهره افزایشی به N-2)dB)، کاهش خواهدیافت و به همین ترتیب- تا زمانی‌که طبقه اول محدود می‌کند و خروجی با افزایش ورودی سیگنال تغییر نمی‌کند، ادامه می‌یابد.

بنابراین همانطورکه در شکل 2 نشان داده شده است، منحنی پاسخ یک مجموعه از خطوط مستقیم است. به‌هرحال مجموع این خطوط، تقریب بسیار خوبی از یک منحنی لگاریتمی است، و در موارد عملی؛ حتی تقریب بهتری است، زیرا تعداد کمی از تقویت‌کننده‌های محدودکننده، به ویژه نوع فرکانس بالا، به همان اندازه که که این الگو فرض می‌کند، یکباره محدود می‌کنند.

همچنین انتخاب بهره، A، بر خطی بودن لگارتیمی اثر خواهدگذاشت. اگر بهره خیلی زیاد باشد، تقریب لگارتیمی ضعیف خواهدشد. اگر این بهره خیلی کم باشد، طبقات بسیار زیادی برای دست‌یابی به گستره دینامیکی مطلوب موردنیاز خواهندبود. بطور کلی بهره‌ها از  12dBتا 10 (×4 تا ×3) انتخاب می‌شوند.

پاسخ تقویت‌کننده لگاریتمی چندطبقه‌ای پایه (حالت تک قطبی)
شکل 2. پاسخ تقویت‌کننده لگاریتمی چند طبقه‌ پایه (حالت تک قطبی)

البته این یک مدل ایده‌آل و بسیار کلی است، و  اصول کلی را نشان می‌دهد، اما پیاده‌سازی عملی آن در فرکانس‌های بسیار بالا سخت است. فرض کنید که یک تاخیر t نانوثانیه در هر تقویت‌کننده محدودکننده وجود دارد (همچنین این تاخیر ممکن است زمانی‌که تقویت‌کننده محدود می‌کند، تغییر کند اما بیایید اثرات مرتبه اول را بررسی کنیم!). این سیگنال که از تمام N طبقه عبور می‌کند تاخیر Nt نانوثانیه را تحمل خواهدکرد، درحالی‌که سیگنال که تنها از یک طبقه عبور می‌کند تنها t نانوثانیه به تاخیر می‌افتد. این امر بدان معنی است که یک سیگنال کوچک Nt نانوثانیه به تاخیر می‌افتد، درحالی‌که یک سیگنال بزرگ «بیش از حد تضعیف‌شده» است، و بیش از Nt نانوثانیه به تاخیر می‌افتد. یک نانوثانیه معادل یک فوت در سرعت نور است، بنابراین چنین تاثیری یک گسترش در مکان  Nt فوت را در دقت یک سامانه راداری نشان می‌دهد، که ممکن است در برخی سامانه‌ها غیرقابل قبول باشد (در اکثر کاربردهای تقویت‌کننده لگاریتمی این امر مشکلی نیست).

یک راه‌حل وارد کردن تاخیرهایی در مسیرهای سیگنال به تقویت‌کننده جمع‌کننده است، اما این امر می‌تواند پیچیده باشد. راه‌حل دیگر تغییر اندک معماری است بطوری‌که به جای طبقات بهره محدودکننده، طبقاتی با بهره سیگنال کوچک A و بهره سیگنال بزرگ (افزایشی) واحد (0dB) داریم. می‌توانیم چنین طبقاتی را بصورت دو تقویت‌کننده موازی، یعنی یک تقویت‌کننده محدود کننده با بهره؛ و یک بافر بهره واحد نمونه‌سازی کنیم، که با یکدیگر یک تقویت‌کننده جمع‌کننده نشان داده‌شده در شکل 3 را تغذیه می‌کنند.

ساختار و عملکرد قطعه تقویت‌کننده لگاریتمی «واقعی» و یک تقویت‌کننده لگاریتمی ایجادشده توسط تعدادی از این قطعه
شکل 3. ساختار و عملکرد قطعه تقویت‌کننده لگاریتمی «واقعی» و یک تقویت‌کننده لگاریتمی ایجادشده توسط تعدادی از این قطعه

تقویت‌کننده‌های لگاریتمی آشکارساز متوالی

  شکل 3 نشان می‌دهد که چنین طبقات آبشاری، یک تقویت‌کننده لگاریتمی را بدون نیاز به جمع طبقات مجزا ایجاد می‌کنند. هر دو معماری چند طبقه‌ توصیف‌شده در بالا تقویت‌کننده‌های لگاریتمی تصویری، یا تقویت‌کننده‌های لگاریتمی حقیقی هستند، اما متداول‌ترین نوع تقویت‌کننده لگاریتمی فرکانس بالا معماری تقویت‌کننده لگاریتمی آشکارساز متوالی نشان داده شده در شکل 4 است.

تقویت‌کننده لگاریتمی آشکارساز متوالی با خروجی‌های لگاریتمی و محدودکننده
شکل 4. تقویت‌کننده لگاریتمی آشکارساز متوالی با خروجی‌های لگاریتمی و محدودکننده

تقویت‌کننده لگاریتمی آشکارساز متوالی همان‌طورکه ذکر شد از طبقات محدودکننده آبشاری تشکیل شده است، اما به جای جمع خروجی‌های آنها بطور مستقیم، این خروجی‌ها به آشکارساز‌ها اعمال می‌شوند، و خروجی آشکارسازها همان‌طورکه در شکل 4 نشان داده شده است جمع می‌شوند. اگر این آشکارسازها خروجی جریان داشته باشند، فرآیند جمع‌بندی ممکن است تنها ناشی از اتصال تمام خروجی‌های آشکارساز به یکدیگر باشد.

 تقویت‌کننده‌های لگاریتمی با این معماری دو خروجی دارند: خروجی لگاریتمی و یک خروجی محدودکننده. در بسیاری از کاربردها، خروجی محدودکننده بکاربرده نمی‌شود، اما در برخی کاربردها (برای مثال، گیرنده‌های FM با برد “S” متر )، هر دو ضروری هستند. خروجی محدودکننده به‌ویژه در استخراج اطلاعات فازی از سیگنال ورودی در روش‌های آشکارسازی قطبی مفید است.

خروجی لگاریتمی یک تقویت‌کننده لگاریتمی آشکارساز متوالی بطورکلی شامل اطلاعات دامنه است و اطلاعات فاز و فرکانس از بین می‌رود. لزوما اینگونه نیست، به هرحال، اگر از آشکارساز نیم موچ استفاده شود، و یکسان بودن تاخیر آشکارسازهای متوالی مهم باشد، طراحی چنین تقویت کننده های لگاریتمی ضروری است.

مشخصات تقویت‌کننده لگاریتمی

 مشخصات تقویت‌کننده‌های عملیاتی شامل نویز، گستره دینامیکی، پاسخ فرکانسی (برخی تقویت‌کننده‌های بکاربرده شده به عنوان طبقات تقویت‌کننده لگاریتمی آشکارساز متوالی، قطع فرکانس پایین و همچنین فرکانس بالا دارند)، شیب مشخصه انتقال (با توجه به اینکه جریان یا ولتاژ قطعه را بررسی می‌کنیم به صورت  mA/dB یا V/dB بیان می‌شود)، نقطه عرض از مبدا (مقدار ورودی در جایی‌که جریان یا ولتاژ خروجی صفر است)، و خطی بودن لگاریتم می‌شوند. (شکل 5 را مشاهده کنید).

خطی بودن لگاریتم آشکارساز متوالی
شکل 5. خطی بودن لگاریتم آشکارسازی متوالی

سال‌ها پیش، ساخت تقویت‌کننده‌های لگاریتمی آشکارساز متوالی عملکرد بالا، فرکانس بالا (که رشته‌های لگاریتمی نامیده می‌شدند) با استفاده از تعدادی تقویت‌کننده محدودکننده یکپارچه مجزا همانند مجموعه Plessy-SL-1521 ضروری بود. به هرحال، پیشرفت‌ها در فرآیندهای IC عملکرد کامل رشته لگاریتمی را برای ادغام با یک تراشه مجزا فراهم کرده است، درنتیجه نیازی به رشته لگاریتمی پیوندی پرهزینه نیست. تقویت‌کننده‌های لگاریتمی آشکارساز متوالی نوین هم اکنون بطور گسترده در دسترس هستند.

تقویت‌کننده لگاریتمی AD641 شامل 5 طبقه محدودکننده (10dB در هر طبقه) و پنج آشکارساز موج کامل در یک بسته‌بندی IC مجزا است، و عملکرد لگاریتمی آن از جریان مستقیم (DC) تا 250 مگاهرتز قابل گسترش است. علاوه براین، تقویت‌کننده و طبقات آشکارساز موج کامل آن متعادل هستند، بطوری‌که با یک طرح مناسب، ناپایداری از فیدبک از طریق ریل‌های منبع تغذیه نامحتمل است. یک نمودار بلوکی از AD641 در شکل 6 نشان داده شده است. برخلاف تقویت‌کننده‌های لگاریتمی مدار مجتمع پیشین، برای دقت مطلق بالای شیب و عرض از مبدا AD641 با لیزر اصلاح می‌شود، و بطورکامل با دما جبران‌سازی می‌شود. تابع انتقال برای AD641 همچنین خطی بودن لگاریتم در شکل 7 نشان داده شده است

نمودار بلوکی تقویت‌کننده لگاریتمی یکپارچه AD641
شکل 6.نمودار بلوکی تقویت‌کننده لگاریتمی یکپارچه AD641
تابع انتقال
شکل 7.تابع انتقال لگاریتمی DC و منحنی خطا برای یک AD641 مجزا

به‌دلیل دقت بالا، هنگام محاسبه پاسخ‌ها، باید شکل موج حقیقی که AD641 را راه‌اندازی می‌کند، درنظرگرفته شود. هنگامی‌که یک شکل موج از یک مولد تابع لگاریتمی عبور می‌کند، مقدار میانگین شکل موج حاصل تغییر می‌کند. این موضوع برشیب پاسخ اثر نمی‌گذارد، اما عرض از مبدا ظاهری مطابق شکل 8 اصلاح می‌شود.

تاثیرات شکل موج برروی نقطه عرض از مبدا
شکل 8.تاثیرات شکل موج برروی نقطه عرض از مبدا

AD641 تنظیم و با لیزر اصلاح می شود تا پاسخ تعریف‌شده خود را به یک سطح جریان مستقیم یا یک موج مربعی متقارن 2 کیلوهرتزی بدهد. همچنین مشخص شده است که یک عرض از مبدا 2 میلی‌ولتی برای یک موج سینوسی ورودی وجود دارد (یعنی یک موج سینوسی 2 کیلوهرتزی با دامنه قله 2 میلی‌ولتی [نه قله تا قله] سیگنال خروجی مشابهی با یک جریان مستقیم یا سیگنال موج مربعی 1 میلی ولتی را می‌دهد).

بعلاوه شکل موج  بر ریپل (موجک) و غیرخطی بودن پاسخ لگاریتمی تاثیر می‌گذارد. این موجک  برای ورودی‌های موج مربعی یا جریان مستقیم بیش‌ترین مقدار را دارد زیرا هر مقدار ولتاژ ورودی به یک مکان مجزا برروی تابع انتقال نگاشته می‌شود، و بنابراین غیرخطی بودن پاسخ لگاریتمی را ردیابی می‌کند. در مقابل، یک سیگنال متغیر با زمانِ متداول در هر چرخه از شکل موج خود یک مجموعه از مقادیر را دارد. بنابراین خروجی میانگین «هموار» می‌شود، زیرا انحراف‌های متناوب دور از پاسخ ایده‌آل، وقتی شکل موج تابع انتقال را «جاروب» می‌کند، تمایل به صفر شدن دارند. همانطور که در شکل 9 آشکار است، اثر هموارسازی در یک موج مثلثی بیش‌ترین تاثیر را دارد.

تاثیرات شکل موج برروی خطی بودن لگاریتم
شکل 9. تاثیرات شکل موج یرروی خطی بودن لگاریتم AD641

برای مشاهده سایر نوشتارهای مربوط به الکترونیک و مخابرات، اینجا کلیک کنید!

مترجم: فاطمه محمدی بهبهانی

نظرتان را درباره این مقاله بگویید 2 نظر

تقویت کننده لگاریتمی فرکانس بالا

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

شانزده + 16 =