تقویت کننده های با بهره متغیر دقیق

مقدمه

اکثر سامانه‌های جمع‌آوری داده با گستره دینامیکی وسیع به روشی برای تنظیم سطح سیگنال ورودی تا مبدل آنالوگ به دیجیتال نیاز دارند. دامنه ولتاژ ورودی مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) مقیاس کامل بین 1V و 10V است. برای دستیابی به دقت نامی مبدل، حداکثر سیگنال ورودی باید تقریبا نزدیک ولتاژ مقیاس کامل آن باشد. با این‌حال مبدل‌ها، یک دامنه ولتاژ خروجی بسیار وسیع دارند. یک ولتاژ حسگر کوچک به بهره بالا نیاز دارد، اما با یک خروجی بزرگ، بهره بالا موجب اشباع تقویت‌کننده یا ADC می‌شود. بنابراین، نوعی قطعه با بهره قابل کنترل موردنیاز است. تقویت‌کننده‌ها با بهره قابل برنامه‌ریزی کاربردهای متنوعی دارند، و برخی از آنها در زیر بیان شده‌اند.

ابزار دقیق
مدارهای تقویت‌کننده دیود نوری
پیش تقویت‌کننده‌های فراصوت
پیش تقویت‌کننده‌های ردیاب صوتی
حسگرها با گستره دینامیکی وسیع
ADC های راه‌انداز (برخی ADC ها تقویت‌کننده‌های با بهره متغیر دقیق روی تراشه دارند)
حلقه‌های کنترل بهره خودکار (AGC)
کنترل بهره

- مقاومت قابل برنامه‌ریزی
- پایه قابل برنامه‌ریزی
- ولتاژ آنالوگ پیوسته
- دیجیتال (معمول 5-8 بیت)

‌چنین قطعه‌ای بهره‌ای دارد که توسط یک ولتاژ جریان مستقیم (DC)، یا متداول‌تر، یک ورودی دیجیتالی کنترل می‌شود. این قطعه به‌عنوان تقویت‌کننده با بهره متغیر، یا تقویت‌کننده با بهره قابل برنامه‌ریزی شناخته می‌شود.

در حالت آپ امپ با بهره متغیر( VGA) با ولتاژ کنترل‌شده، معمولا بهره بر حسب dB متناسب با یک ولتاژ کنترل خطی است.

VGA کنترل‌شده دیجیتالی ممکن است برای بهره‌های دهدهی انتخاب‌پذیر همانند 100،10، 1000 و غیره پیکربندی شوند، یا ممکن است برای بهره‌های دودویی همانند 1، 2، 8،4، وغیره نیز پیکربندی شوند. در بسیاری از موارد دامنه بهره برحسب dB به قسمت‌های مساوی تقسیم می‌شود که با یک کلمه کنترلی 8-5 بیتی تعیین می‌شود. البته تابعی از سامانه نهایی است، که مطلوب‌ترین نوع است.

لازم بذکر است عامل مشترک در مثال‌های کاربردی بالا، متنوع بودن انواع مختلف سیگنال‌های کنترل‌شده است. برخی ممکن است به پهنای باند وسیع و اعوجاج کم، و برخی دیگر به نویز بسیار کم، از منابع با امپدانس بالا یا پایین نیاز داشته باشند. این ورودی‌ها ممکن است تک سر یا تفاضلی باشند.

خروجی از VGA ممکن است برای راه اندازی گستره ورودی تعریف‌شده یک ADC موردنیاز باشد، یا ممکن است بخشی از یک زیرسامانه کوچک‌تر، همانند یک AGC یا حلقه تنظیم بهره باشد. مدارهای بعدی برخی از این نیازها را مطرح می‌کنند.

یک VGA همانطور که در شکل 1 نشان داده‌شده است معمولا بین یک حسگر و ADC آن قرارداده می‌شود. بسته به کاربرد آماده‌سازی سیگنال اضافی ممکن است قبل یا بعد از VGA انجام شود. برای مثال، یک دیودنوری میان خود و VGA به یک مبدل جریان به ولتاژ نیاز دارد. در اکثر سامانه‌های دیگر، بهتر است ابتدا بهره تنظیم شود تا سیگنال بزرگ‌تری را ایجاد کند. این امر خطاهای ایجادشده توسط مدار آماده‌سازی سیگنال را کاهش می‌دهد.

به منظور درک مزایای بهره متغیر، یک VGA ایده‌آل را با دو تنظیم، بهره یک و دو درنظربگیرید. گستره دینامیکی سامانه 6dB افزایش می‌یابد. افزایش بهره تا حداکثر چهار منجر به 12dB افزایش در گستره دینامیکی می‌شود. اگر کم اهمیت‌ترین بیت یک ADC برابر با 10 میلی ولت ولتاژ ورودی باشد، ADC نمی‌تواند به سیگنال‌های کوچک‌تر پاسخ دهد، اما زمانی‌که بهره VGA به دو افزایش پیدا می‌کند، سیگنال‌های ورودی 5 میلی ولتی ممکن پاسخ داده شود. بنابراین، یک پردازنده مرکزی می‌تواند اطلاعات بهره VGA را با خروجی دیجیتالی ADC ترکیب کند تا دقت آن را یک بیت افزایش دهد. اساسا، این موضوع مشابه افزودن دقت اضافی به ADC است. در حقیقت، هم اکنون تعدادی از ADCها برای افزایش گستره دینامیکی VGAهایی روی تراشه دارند (برای مثال، سریAD77xx ).

معضلات طراحی VGA دقیق

در عمل،VGAها ایده‌آل نیستند، و منابع خطاهای آنها باید مطالعه شوند. تعدادی از معضلات مختلف طراحی VGA در زیر خلاصه شده‌اند.

چگونگی تغییر بهره
تاثیرات کلیدزنی برروی مقاومت R_ON
دقت بهره
بهره و رانش آفست در سرتاسر دما
خطی بودن بهره
پهنای باند برحسب بهره
آفست جریان مستقیم (DC)
زمان نشست پس از انتخاب بهره
اعوجاج هارمونیک، اعوجاج دو تون مدوله سازی متقابل، IP3، SFDR
نویز
امپدانس ورودی/خروجی

یک مشکل اساسی طراحی VGA برنامه‌ریزی بهره بصورت دقیق است. رله‌های الکترومکانیکی یک مقاومت R_ONحداقل را دارند، اما به دلیل آهسته، بزرگ و گران بودن برای انتخاب بهره نامناسب هستند. کلیدهای CMOS کوچک هستند، اما دارای R_ONوابسته به دما یا ولتاژ، و همچنین ظرفیت خازنی پراکنده هستند که ممکن است بر شاخص‌های جریان متناوب (ac) VGA تاثیرگذارد.

به منظور درک اثر R_ON برروی عملکرد، شکل ۲ که طراحی ضعیفی از VGA است را درنظربگیرید. یک آپ‌امپ غیرمعکوس‌کننده 4 مقاومت تنظیم بهره متفاوت دارد که هر کدام با یک کلید و یک مقاومت 100RON تا 500 اهمی زمین شده‌اند. تنها با یک R_ON به کوچکی 250 اهم، بهره خطای 16 برابر 2.4% ، بدتر از 8 بیت خواهدبود! همچنین R_ON با دما، و زدن هر کلید تغییرمی‌کند.

برای «اصلاح» این طراحی، مقاومت‌ها باید افزایش پیدا کنند، اما در آن صورت نویز و آفست می توانند یک مشکل باشند. تنها راه برای افزایش دقت این مدار استفاده از رله‌های تقریبا بدون R_ON است. در این صورت مقاومت R_ON بسیار کوچک رله در حدود میلی اهم خطای بسیار کوچکی در مقایسه با 625 اهم خواهد داشت.

بهتر است از مداری بدون حساسیت به R_ONاستفاده کرد! در شکل ۳، کلید سری با ورودی معکوس‌کننده یک آپ امپ قرار داده شده است. از آنجایی که امپدانس ورودی آپ امپ بسیار بزرگ است، اکنون R_ONکلید غیرضروری است، و بهره به تنهایی توسط مقاومت‌های خارجی تعیین می‌شود. توجه داشته باشید-اگر جریان تغذیه آپ امپ بالا باشد R_ONممکن است یک خطای آفست کوچک اضافه کند (در این حالت، این خطا می‌تواند به آسانی با مقاومتی برابر در V_IN جبران شود).

بخش‌های بعدی، چندین مدار VGA فرکانس پایین را با استفاده مفاهیم فوق و سایر مفاهیم توضیح می‌دهند

AD526 یک VGA قابل برنامه ریزی نرم افزاری

تقویت‌کننده AD526 از تنها معماری VGA توضیح داده شده استفاده می‌کند، همان‌طورکه در شکل 6 نشان داده شده است آن را در یک تراشه مجزا قرار می‌دهد. AD526، پنج تنظیم بهره دودویی از 1 تا 16 دارد، و کلیدهای JFET داخلی آن به ورودی معکوس‌کننده تقویت‌کننده شکل.۳ متصل می‌شوند. مقاومت‌های بهره تنظیم‌شده با لیزر حداکثر فقط خطای بهره 0.02% ، و خطی بودن 0.001% را ایجاد می‌کنند. کاربرد پایانه‌های حسگر/ اعمال جریان متصل به بار بالاترین دقت را تضمین می‌کند (این روش همچنین امکان استفاده از یک بافر بهره واحد اختیاری را برای بارها با امپدانس کم فراهم می‌آورد). AD526 توسط یک واسط دیجیتالی قفل‌دار کنترل می‌شود.

VGA با نویز پایین

این مفاهیم طراحی مشابه می‌توانند برای ساخت یکVGA با نویز پایین همانند شکل ۵ بکاربرده شوند. این طراحی از یک آپ امپ مجزا، یک کلید چهارتایی، و مقاومت‌های دقیق استفاده می‌کند. AD797 با نویز پایین‌تر در AD526 جایگزین آپ امپ با ورودی JFET می‌شود، اما تقریبا هر آپ امپ فیدبک ولتاژ در این مدار بکاربرده می‌شود. AD412 به دلیل مقاومت R_ON 35 اهمی آن انتخاب شد.

این مقاومت‌ها برای بدست آوردن بهره‌های دهدهی 100،10،1 و 1000 انتخاب شدند، اما اگر بهره‌های دیگری مورد نیاز باشد، مقادیر مقاومت‌ها ممکن است به آسانی تغییر داده شوند. بطور ایده‌آل، یک شبکه مقاومت تنظیم‌شده مجزا باید به منظور دقت بهره اولیه و رانش پایین درکل دما بکاربرده شود. خازن فیدبک 20 پیکوفاراد پایداری را تضمین می‌کند و ولتاژ خروجی را هنگام تغییر بهره حفظ می‌کند. سیگنال کنترل کلیدها یک کلید را چند نانوثانیه قبل از وارد شدن کلید دوم به مدار از مدار خارج می‌کند. در حین این شکستن مدار، آپ امپ حلقه باز است. بدون خازن خروجی شروع به تغییر می‌کند. در عوض، خازن ولتاژ خروجی را در هنگام کلیدزنی ثابت نگه می‌دارد. از آنجایی‌که مدت باز بودن هر دو کلید بسیار کوتاه است، خازن 20 پیکوفارادی کافی است. برای کلیدهای آهسته‌تر، خازن بزرگتری ممکن است لازم باشد.

° چگالی طیفی نویز ولتاژ ورودی VGA در بهره 1000 در فرکانس 1 کیلوهرتز فقط 1.65nv/√Hz است، که کمی بالاتر از عملکرد AD797 به تنهایی است. این افزایش به دلیل نویز AD412، و نویز جریان AD797 جاری در R_ON است. دقت VGA در تعیین دقت کلی سامانه بسیار مهم است. AD797یک جریان تغذیه 0.9 میکروآمپری دارد، که در R_ON با بزرگی 35 اهم جاری است، و منجر به خطای آفست 31.5 میکرو ولتی می‌شود. Vos کل همراه با آفستAD797 حداکثر 71.5 میکروولت می‌شود. تغییر در جریان تغذیه و R_ON بر رانش دمایی آفست اثر می‌گذارد.

محاسبات نشان می‌دهند که ضریب دمایی کل از 1.6μv/°C تا 0.6 افزایش می‌یابد. توجه داشته باشید اگرچه این خطاها کوچک هستند (و در آخر ممکن است مهم نباشند) آگاهی از آنها هنوز مهم است.

در عمل، دقت مدار و ثابت زمانی بهره توسط مقاومت‌های خارجی تعیین خواهدشد. ویژگی‌های ورودی همانند گستره حالت مشترک و جریان تغذیه ورودی به تنهایی توسط AD797 تعیین می‌شوند.

VGA برنامه‌ریزی‌شده مبدل دیجیتال به آنالوگ

همانطور که در شکل ۶ نشان داده شده است، دیگر پیکربندی VGA از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ(DAC) در حلقه فیدبک آپ امپ برای تنظیم بهره تحت کنترل دیجیتالی استفاده می‌کند. کد دیجیتالی DAC تضعیف آن را با توجه به ولتاژ مرجع ورودی V_REF کنترل می‌کند، که عملکردی مشابه پتانسیومتر دارد. تضعیف سیگنال، فیدبک بهره حلقه بسته را افزایش می‌دهد.

یک VGA غیرمعکوس‌کننده از این نوع به یک DAC ضرب‌کننده با یک خروجی حالت ولتاژ نیاز دارد. توجه داشته باشید که DAC ضرب‌کننده یک DAC با گستره ولتاژ مرجع وسیع است، که صفر را در برمی‌گیرد. برای اکثر کاربردهای VGA، ورودی مرجع باید توانایی کنترل سیگنال‌های دوقطبی را داشته‌باشد. AD7846 یک مبدل 16 بیتی است که این نیازها را برآورده می‌کند. در این کاربرد، این مبدل در حالت ضرب ربع دوم استاندارد بکاربرده می‌شود.

OP213 یک رانش کم، تقویت‌کننده نویز پایین است، اما انتخاب تقویت‌کننده انعطاف‌پذیر است، و به کاربرد موردنظر بستگی دارد. گستره ولتاژ ورودی به نوسان خروجی AD7846 بستگی دارد، که 3 ولت کم‌تر از منبع تغذیه مثبت، و 4 ولت بالاتر از منبع تغذیه منفی است. یک خازن 1000 پیکوفارادی در حلقه فیدبک برای پایداری بکاربرده می‌شود.

بهره یک مدار با تنظیم ورودی‌های دیجیتالی DAC، مطابق معادله داده شده در شکل.۶ تنظیم می‌شود. D_0-15 مقدار دهدهی کد دیجیتال را بیان می‌کند. برای مثال، اگر تمام بیت‌ها بالا تنظیم شوند، بهره 1.000015 =65536/65535 خواهد بود. اگر 8 بیت کم اهمیت بالا و بقیه پایین تنظیم شوند، بهره257 =65536/255 خواهدبود. برای بهره 1+ پهنای باند مدار نسبتا زیاد 4 مگاهرتز است. با این وجود، این پهنای باند با افزایش بهره کاهش می‌یابد، و برای بهره 256، پهنای باند تنها 600 هرتز است. اگر حاصلضرب بهره-پهنای باند ثابت باشد، پهنای باند در بهره 256 باید 15.6 کیلوهرتز باشد؛ اما ظرفیت خازنی داخلی DAC پهنای باند را 600 هرتز کاهش می‌دهد.

دقت بهره مدار توسط دقت DAC و تنظیم بهره تعیین می‌شود. در بهره 1، تمامی بیت‌ها روشن هستند، و دقت با ویژگی غیرخطی بودن تفاضلی DAC تعیین می‌شود، که حداکثر 1LSB± است. بنابراین دقت بهره معادل 1LSB در یک سامانه 16 بیتی، یا 0.003% است. بااین‌حال، زمانی‌که بهره افزایش می‌یابد، بیت‌های کم‌تری روشن هستند. برای یک بهره 256، تنها 8 بیت روشن هستند. دقت بهره هنوز وابسته به 1LSB±از DNL است. اما اکنون تنها با پایین‌ترین 8 بیت مقایسه می‌شود. بنابراین، دقت بهره به 1LSB در یک سامانه 8 بیتی، یا 0.4% کاهش می‌یابد. اگر بهره تا بیش از 256 افزایش یابد، دقت بهره بیش‌تر کاهش می‌یابد. طراح باید سطح قابل قبولی از دقت را تعیین کند. در این مدار خاص، بهره به 256 محدود شد.

یک VGA ورودی تفاضلی

مدارهای VGA غیرمعکوس‌کننده با استفاده از یک آپ امپ به راحتی با یک منبع تغذیه مجزا سازگار هستند، اما درصورت تمایل به ورودی‌های تفاضلی، باید یک تقویت‌کننده ابزار دقیق با منبع تغذیه مجزا مثل AD623، AD627، یا AMP04 استفاده شود. همانطورکه در شکل ۷ نشان داده شده است AMP04 باید با یک کلید CMOS AD627 خارجی در یک VGA یک تقویت‌کننده ابزار دقیق با منبع تغذیه مجزا در بکاربرده می‌شود.

این مدار دارای بهره‌های قابل انتخاب 100،10،1، و 500 است، که توسط ADG511 کنترل می‌شوند. ADG511 به عنوان یک کلید منبع تغذیه مجزا با R_ON کم 45 اهم انتخاب ‌شد. یک عیب این مدار این است که بهره مدار به R_ON کلیدها بستگی دارد. در بهره‌های بالاتر تنظیم دقیق برای دستیابی به دقت لازم است. در بهره 500، دو کلید بطور موازی بکاربرده می‌شوند، اما مقاومت آنها در صورت عدم تنظیم موجب یک خطای بهره 10% می‌شود.

تقویت‌کننده‌های ابزار دقیق با بهره قابل برنامه‌ریزی

AD8250 یک تقویت‌کننده ابزار دقیق iCMOS® با بهره‌های قابل برنامه‌ریزی بطور دیجیتالی (1،2،5 و 10) است که امپدانس ورودی گیگااهمی، نویز خروجی پایین، و اعوجاج کم دارد و آن را برای ارتباط با حسگرها و راه‌اندازی مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال با نرخ نمونه‌برداری بالا مناسب می‌سازد. این تقویت‌کننده پهنای باند بالا 10 مگاهرتز، THD کم 110dB- و زمان نشست سریع 615 نانوثانیه تا 0.001% دارد. رانش آفست و رانش بهره برای10 =Gبه ترتیب1.7μv/°c و .10ppm/°c تضمین می‌شوند. این تقویت‌کننده علاوه بر گستره وسیع ولتاژ مشترک ورودی، یک حذف وجه مشترک 80dB را در 1 =G از جریان مستقیم (dc) تا 50 کیلوهرتز دارد. ترکیب عملکرد جریان مستقیم دقیق همراه با قابلیت‌های سرعت بالا، AD8250 را کاندیدی عالی برای دستیابی به داده می‌سازد. علاوه براین، این راه‌حل یکپارچه طراحی و تولید را آسان می‌سازد، و با حفظ انطباق دقیق مقاومت‌های داخلی و تقویت‌کننده‌ها عملکرد ابزار دقیق را افزایش می‌دهد. واسط کاربری AD8250 از یک درگاه موازی تشکیل شده است که به کاربر اجازه می‌دهد تا بهره را با یکی از دو روش مختلف تنظیم کنند (شکل 8 را برای نمودار بلوک عملیاتی و پاسخ فرکانسی مشاهده کنید). یک کلمه دو بیتی از طریق یک گذرگاه می‌تواند با استفاده از ورودی WR حفظ شود. راه دیگر استفاده از حالت بهره گذرا در جایی است که حالت سطح منطقی در درگاه بهره، بهره را تعیین می‌کند.

AD8251 مشابه AD8250 است اما بهره‌های قابل برنامه‌ریزی 4،2،1، و8 دارد. AD8253 بهره‌های قابل برنامه‌ریزی 100،10،1، و1000 دارد.

ADC با VGAS/PGAs داخلی

ADCهای خاص (مثل سری‌های سنجش AD77xx) VGAهای تعبیه‌شده و دیگر مدارهای آماده‌سازی را دارند. طراحی مدار با این قطعات، به دلیل عدم نیاز به یک VGA خارجی و منطق کنترلی آن بسیار آسان‌تر است. علاوه براین، تمام خطاهای VGAدر مشخصات ADC گنجانده شده است و محاسبات خطا را آسان می‌کند. بهره VGA از طریق رابط سریال ADC مشترک کنترل می‌شود، و در تبدیل از تنظیم بهره صرفنظر می‌شود، و در محاسبات اضافی برای تعیین ولتاژ صرفه‌جویی می‌شود.

این ترکیب ADC و VGA بسیار قدرتمند است و امکان تحقق یک سامانه بسیار دقیق، با حداقل طراحی مدار را فراهم می‌کند. به عنوان مثال، شکل ۹ نموداری ساده از AD7730 سنجش سیگما-دلتا را نشان می‌دهد که برای دیجیتال سازی خروجی‌های پل ولتاژ کم بطور مستقیم (به اندازه10 میلی ولت در مقیاس کم) تا بیش از تفکیک‌پذیری کد بدون نویز 16 بیتی، بدون نیاز به مدارهای آماده‌سازی سیگنال خارجی بهینه شده است.