سایر

تقویت کننده های بهره متغیر با سرعت بالا

تقویت‌کننده‌های بهره متغیر با سرعت بالا

فهرست مطالب

تقویت‌کننده‌های بهره متغیر فرکانس بالا باید بطور کامل نه تنها برحسب مشخصات جریان متناوب (AC) آپ‌امپ مرسوم (پهنای باند، نرخ تغییرات سرعت، زمان نشست)، بلکه برحسب مشخصات خاص ارتباطاتی مشخص شود. این مشخصات اخیر شامل عملکرد اعوجاج هارمونیک، گستره دینامیکی آزاد ناخواسته، اعوجاج مدولاسیون متقابل، نقاط تلاقی (IP2, IP3)، نویز و ضریب نویز می‌شود. این مشخصات در زیر  بیان می شوند.

  • نویز
    • نویز مربوط به خروجی (RTO)
    • نویز مربوط به ورودی (RTI)
  • اعوجاج
    • نقاط تلاقی مرتبه دوم و سوم (IP2,IP3)
    • گستره دینامیکی آزاد ناخواسته (SFDR)
    • اعوجاج هارمونیک
      • تک تون
      • چند تونه
      • خارج از باند
    • نرخ توان چند تونه (MTPR)
    • ضریب نویز (NF), شاخص نویز (NF)

در این درسنامه برروی VGAهایی که برای سامانه‌های ارتباطاتی مناسب هستند، تمرکز خواهیم کرد. دستیابی به اهداف کاری سامانه به این مشخصات بستگی دارد. هر دو VGA کنترل‌شده آنالوگ و کنترل‌شده دیجیتال بررسی خواهندشد.

تقویت‌کننده‌های با بهره متغیر در سامانه‌های کنترل بهره خودکار

   تقویت‌کننده‌های بهره متغیر باند وسیع، اعوجاج پایین کاربردهایی گسترده‌ در سامانه‌های ارتباطاتی دارند. یک نمونه کنترل بهره خودکار (AGC) در گیرنده‌های رادیویی است که در شکل 1 نشان داده شده است. بطور معمول انرژی دریافت‌شده، یک گستره دینامیکی وسیع را به‌دلیل تغییرپذیری مسیر انتشار نشان می‌دهد و فشرده‌سازی گسترده دینامیکی در گیرنده مورد نیاز است.

در این مورد، اطلاعات موردنیاز در پوش مدوله‌سازی است(در هر حالت مدوله‌سازی) نه در اندازه مطلق حامل. برای مثال، یک حامل 1 مگاهرتزی مدوله‌شده در 1 کیلوهرتز تا عمق مدوله‌سازی 30% اطلاعات مشابه را انتقال می‌دهد، خواه سطح حامل گیرنده در 0dBm یا 120dBm- باشد.  نوعی از کنترل بهره خودکار در گیرنده بطورکلی برای بازگرداندن دامنه حامل به سطح مرجع نرمال، در حضور نوسانات ورودی بزرگ استفاده می‌شود. مدارهای AGC گستره دینامیکی را فشرده می سازند و به شاخص سیگتال بدست آمده (اغلب دامنه میانگین)  در یک بازه زمانی معادل با چندین دوره‌ حامل پاسخ می‌دهند.

 در نتیجه، آنها به زمان نیاز دارند تا با تغییرات سطح سیگنال دریافت‌شده سازگارشوند. با استفاده از روش‌های تشخیص نقطه اوج می‌توان زمان موردنیاز برای پاسخ به افزایش ناگهانی سطح سیگنال را کاهش داد، اما با از دست دادن قدرت، اکنون نقاط اوج نویز گذرا می‌توانند مدارهای تشخیص AGC را فعال کنند. فیلترکردن غیرخطی و مفهوم «AGC تاخیری» می‌توانند در بهینه‌سازی یک سامانه AGC مفید باشند. بسیاری از مناسب‌ترین حالت‌ها در عمل یافت می‌شوند.

یک سامانه کنترل بهره خودکار نوعی
شکل ۱. یک سامانه کنترل بهره خودکار نوعی

جالب است بدانید که یک حلقه AGC در واقعیت دو خروجی دارد. البته خروجی با وضوح بیش تر سیگنال با دامنه تثبیت‌شده است. خروجی با وضوح کمتر، ولتاژ کنترل به  تقویت کننده کنترل شده با ولتاژ (VCA) است. در حقیقت، این ولتاژ مقیاسی از دامنه متوسط سیگنال ورودی است. اگر سامانه بطور دقیق مقیاس‌بندی شده باشد، ولتاژ کنترل ممکن است به عنوان مقیاسی از سیگنال ورودی بکاربرده شود، که گاهی اوقات به عنوان نشانگر قدرت سیگنال دریافتی (RSSI) شناخته می‌شود. نکته آخر، قانون کنترل بهره VCA دقیق ذکرشده، امکان پیاده‌سازی یک سامانه دریافت را فراهم می‌کند که برای سطح سیگنال ورودی تنظیم شده است.

تقویت‌کننده با بهره متغیر کنترل‌شده با ولتاژ

یک ضرب‌کننده آنالوگ، همانند ADL5391، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است می‌تواند به‌عنوان یک تقویت‌کننده بهره متغیر استفاده شود. ولتاژ کنترلی به یک ورودی، و سیگنال به ورودی دیگر اعمال می‌شود. در این پیکربندی، بهره بطورمستقیم متناسب با ولتاژ کنترلی است.

استفاده از یک ضرب‌کننده به عنوان تقویت‌کننده بهره متغیر کنترل‌شده با ولتاژ
شکل ۲. استفاده از یک ضرب‌کننده به عنوان تقویت‌کننده بهره متغیر کنترل‌شده با ولتاژ

 بیش‌تر VCAهای ساخته‌شده با ضرب‌کننده‌های آنالوگ بهره‌ای دارند که با توجه به ولتاژ کنترل برحسب ولت خطی است، بعلاوه تمایل دارند که نویزدار باشند. با این وجود،  یک VCA مورد نیاز است که یک گستره بهره وسیع را با پهنای باند و فاز ثابت، نویز پایین را با قابلیت‌های کنترل سیگنال بزرگ، و اعوجاج کم  را با مصرف توان کم ترکیب کند، درحالی‌که بهره دقیق، ثابت و خطی برحسب dB فراهم می‌کند. خانواده X-AMP™ با یک راه‌حل منحصربفرد و ساده به این اهداف سخت و متناقض (برای تقویت‌کننده نمایی) دست می‌یابند. این مفهوم ساده است: یک تقویت‌کننده با بهره ثابت، تضعیف‌کننده غیرفعال باند وسیعی را دنبال می‌کند که به ابزار خاصی مجهز است تا میزان تضعیف خود را تحت کنترل یک ولتاژ تغییر دهد (شکل 3 را مشاهده کنید).

 

نمودار بلوکی X-AMP
شکل ۳. نمودار بلوکی X-AMP

 این تقویت‌کننده برای نویز ورودی پایین بهینه می‌شود، و فیدبک منفی برای تعریف دقیق بهره نسبتا بالای آن (در حدود  40dB تا 30) و حداقل‌سازی اعوجاج بکاربرده می‌شود. از آنجایی‌که بهره این تقویت‌کننده ثابت است، مشخصات پاسخ جریان متناوب (AC) و گذرای آن، از جمله اعوجاج و تاخیر گروهی نیز ثابت هستند، بنابراین بهره بالا است، و ورودی هرگز بیش‌تر از چند میلی ولت نیست. درنتیجه همیشه در گستره پاسخ سیگنال کوچک خود کار می‌کند.

 تضعیف‌کننده یک شبکه نردبانی با ۷ قسمت (۸ انشعاب) R-2R است. نسبت ولتاژ بین تمامی انشعاب‌های مجاور دقیقا 2، یا 6.02dB است. این موضوع اساس رفتار خطی دقیق برحسب dB را فراهم می‌کند و تضعیف کلی 42.14dB است. همان‌طورکه نشان داده خواهدشد، ورودی تقویت‌کننده می‌تواند به هر یک از این انشعاب‌ها متصل شود، یا حتی بین آنها تنها با یک خطای انحراف کوچک در حدود 0.2dB±   جاسازی شود. بهره کلی را می‌توان از بهره ثابت (حداکثر) تا کم‌تر از مقدار  42.14dB تغییر داد. برای مثال، در AD600، بهره ثابت 41.07dB (بهره ولتاژ 113) است، با این انتخاب، گستره کامل بهره از 1.07dB تا 41.07dB+ است. بهره مرتبط با ولتاژ کنترل توسط رابطه GdB = 32VG + 20 بدست می آید که در آن VG برحسب ولت است.

  بهره در 0= VG با دقت کامل 0.2dB± با لیزر تنظیم می‌شود. مقیاس‌گذاری بهره توسط یک مرجع شکاف باند روی تراشه (به اشتراک گذاشته شده توسط هر دو کانال)، لیزر تنظیم شده با دقت بالا و ضریب دمایی پایین تعیین می‌شود. شکل ۴ نمودار بهره برحسب ولتاژ کنترلی تفاضلی را برای AD600 و AD602 نشان می‌دهد.

تابع انتقال X-Amp
شکل ۴. تابع انتقال X-Amp

به منظور درک عملکرد خانواده X-AMP™، نمودار ساده نشان داده شده در شکل ۵ را درنظربگیرید. توجه داشته باشید که هر 8 انشعاب به یک ورودی از یکی از 8 جفت تفاضلی دوقطبی متصل هستند، و به عنوان طبقه‌های ترارسانایی (gm) کنترل‌شده با جریان بکاربرده می‌شوند؛ ورودی دیگر تمام این طبقات gm به شبکه فیدبک تعیین‌کننده بهره تقویت‌کننده، RF1/RF2، متصل می‌شود. زمانی‌که جریان تغذیه امیتر، IE، به یکی از 8 جفت ترانزیستور هدایت می‌شود؛ این طبقه،  طبقه ورودی تقویت‌کننده کامل می‌شود.

طرح‌واره ساده‌شده X-Amp
شکل ۵. طرح‌واره ساده‌شده X-Amp

هنگامی‌که  IE به جفت سمت چپ متصل می‌شود، ورودی سیگنال بطور مستقیم به تقویت‌کننده متصل می‌شود، و حداکثر بهره را می‌دهد. به دلیل طراحی حلقه باز دقیق، به کمک فیدبک منفی حتی در فرکانس‌های بالا اعوجاج بسیار پایین است. اگر IE  ناگهان به جفت دوم  متصل شود، بهره کلی دقیقا تا 6.02dB کاهش می‌یابد، و اعوجاج پایین باقی می‌ماند، زیرا تنها یک طبقه gm   فعال باقی می‌ماند.

 در حقیقت، جریان تغذیه به تدریج از جفت اول به جفت دوم انتقال می‌یابد. زمانی‌که IE بطور یکسان بین دو طبقه gm تقسیم می‌شود، هر دو فعال هستند، و این وضعیت در جایی‌ بوجود می‌آید که یک آپ امپ با دو طبقه ورودی برای کنترل حلقه داریم، یکی سیگنال کامل را می‌گیرد، دیگری دقیقا نصف این سیگنال را می‌گیرد.

تجزیه و تحلیل نشان می‌دهد که بهره موثر، آن‌طور که در ابتدا انتظار می‌رود 3dB کاهش نمی‌یابد، بلکه  20log1.5یا 3.52dB کاهش می‌یابد. این خطا، اگر بطور مساوی در کل دامنه تقسیم شود، به موجک (ریپل) بهره 0.25dB±  ‌خواهد رسید؛ با این‌حال، مدار درون‌یابی در حقیقت یک توزیع گوسی از جریان بایاس تولید می‌کند، و کسر قابل توجهی از IE همیشه در طبقه‌های مجاور جریان می‌یابد. این موضوع تابع بهره را هموار می‌کند و در حقیقت ریپل را کاهش می‌دهد. با حرکت بیش‌تر  IEبه راست، بهره کلی به تدریج کاهش می‌یابد.

برای X-AMP™نویز ورودی  1.4nV/Hz ذکر شدهاست؛ که تنها کمی بیش‌تر از  1.29nV/√Hz یعنی نویز حرارتی یک مقاومت 100 اهمی در دمای محیط است. نویز ورودی ذکرشده بدون توجه به تنظیمات تضعیف‌کننده ثابت است، بنابراین نویز خروجی همیشه ثابت و مستقل از بهره است.

یک خلاصه از بسیاری از ویژگی‌های خانواده X-AMP در شکل 6 بیان شده است.

ویژگی‌های کلیدی خانواده X-AMP™
شکل 6.ویژگی‌های کلیدی خانواده X-AMP™

VGAهای کنترل‌شده به‌صورت دیجیتالی

در برخی موارد کنترل سطح سیگنال به صورت دیجیتالی مفید است. به عنوان مثال درایور مودم کابلی برای ارسال اطلاعات، همانند AD8325 .

 مودم‌های کابلی نسبت به اتصال از طریق خط تلفن استاندارد نرخ داده بسیار بالاتری دارند و بسیار محبوب شده‌اند. علاوه بر دریافت داده، مودم کابلی همچنین داده را ارسال می‌کند. این موضوع نیاز به یک تقویت‌کننده بهره متغیر کنترل‌شده دیجیتالی با اعوجاج کم دارد که بتواند کابل کواکسیال را در سطح ناچیز  11.2dBm )1Vrms+ یا 60dBmV) هدایت کند. AD8325  عضوی از خانواده درایورهای خط ارسال اطلاعات CATV و مناسب این کاربرد است. بهره AD8325 توسط یک کلمه سریال 8 بیتی کنترل می‌شود که بهره مطلوب را برروی یک گستره 59.45dB  تعیین می‌کند؛ و منجر به تغییرات بهره 0.7526dB/LSB می‌شود. نمودار بلوکی AD8325 در شکل 7 نشان داده شده است.

 

AD8325 تقویت‌کننده بهره متغیر کنترل‌شده دیجیتالی CATV
شکل 7. AD8325 تقویت‌کننده بهره متغیر کنترل‌شده دیجیتالی CATV

AD8325 یک هسته تضعیف‌کننده متغیر دارد که در آن تضعیف بصورت دیجیتالی از 0dB تا 59.45dB -کنترل می‌شود. بهره بافر ورودی تقریبا 30dB+ است، بنابراین گستره بهره کلی حاصل از 29.45dB- تا 30dB+ است. در هنگام روشن شدن AD8325 از 4 عملکرد آنالوگ تشکیل شده است. از تقویت‌کننده ورودی (پیش تقویت‌کننده) می‌توان بصورت تک سر یا تفاضلی استفاده کرد. کلمه کنترلی 8 بیتی به یک کلمه 3 بیتی که طبقه ورنیه را راه اندازی می‌کند (برای تنظیم دقیق بهره) و یک کلمه 9  بیتی که هسته تضعیف را راه اندازی می کند، دیکد می‌شود (مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC)). دقت 0.7526dB/LSB در طبقه ورنیه برقرار می‌شود و تضعیف تقریبا 5.25dB را ایجاد می‌کند. پس از طبقه ورنیه، یک DAC عمده تضعیفAD8325   را فراهم می‌کند (54ِdB یا  9 بیت).

سیگنال‌ها در پیش تقویت‌کننده و بلوک‌های بهره ورنیه به منظور بهبود PSRR و خطی بودن تفاضلی هستند. یک جریان تفاضلی از DAC به طبقه خروجی منتقل می‌شود، که این جریان‌ها را تا سطوح مناسب لازم برای راه اندازی بار 75 اهمی تقویت می‌کند.

عملکرد کلیدی و قیمت مناسب AD8325 به دلیل توانایی حفظ یک امپدانس خروجی دینامیکی ثابت 75 اهمی در هنگام بالا آمدن یا پایین آمدن توان است. طبقه خروجی از فیدبک منفی برای پیاده‌سازی یک امپدانس خروجی دینامیکی 75 اهمی استفاده می‌کند. با این کار نیاز به یک خروجی 75 اهمی خارجی نیست، و منجر به دو برابر شدن ولتاژ خروجی موثر در مقایسه با یک آپ‌امپ استاندارد می‌شود.

این ویژگی‌ها به AD8325 این امکان را می‌دهد تا با یک منبع 5 ولتی مجزا کار کند و همچنان توان خروجی موردنیاز را تامین کند. اعوجاج 57dBc- با سطح خروجی تا  (1Vrms  (+11.2dBm در پهنای باند 21 مگاهرتز بدست می‌آید.

AD8370 یک تقویت‌کننده بهره متغیر، کنترل‌شده بصورت دیجیتالی، با قیمت پایین است که کنترل بهره دقیق، IP3 بالا، و عدد نویز پایین را فراهم می‌کند. یک نمودار بلوکی در شکل 8 نشان داده شده است.

VGA کنترل شده بصورت دیجیتالی 75 مگاهرتزی AD8370
شکل 8. VGA کنترل شده بصورت دیجیتالی 75 مگاهرتزی AD8370

AD8370 عملکرد اعوجاجی عالی و پهنای باند وسیع دارد. برای این ورودی گسترده، کاربردهای گستره دینامیکی، AD8370 دو گستره خروجی را فراهم می‌کند: حالت بهره بالا و حالت بهره پایین. یک طبقه ترارسانایی 7 بیتی ورنیه گستره بهره 28dB را با دقتی بهتر از 2dB، گستره بهره 22dB را با دقتی بهتر از 1dB فراهم می‌کند. دومین گستره بهره را می‌توان 17dB بالاتر از گستره اول انتخاب کرد تا عملکرد نویز بهبود یابد. AD8370 با اعمال سطح منطقی مناسب به پایه PWUP روشن می‌شود. هنگام خاموش شدن، AD8370 کم‌تر از 4 میلی‌آمپر مصرف می‌کند و ورودی عالی به جداسازی خروجی می‌دهد. تنظیمات بهره در حالت توان پایین حفظ می‌شود.

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 های بهره متغیر با سرعت بالا

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

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

12 − یک =