Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 14 ноября
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика

Итоги Премии «Живая электроника России — 2018»


Интервью, презентации

Ранее

Инь и Янь в вопросах согласования. Часть 2

Эта учебная статья охватывает основы теории согласования, начиная с простых Г-образных цепей и заканчивая более сложными концепциями.

Операционные системы реального времени

Среди разработчиков «железа» иной раз можно встретить едва не мистическую убежденность в том, что достаточно выбрать подходящую операционную систему реального времени и все вопросы решатся сами собой. Подобная уверенность скорее объясняется ошибочной точкой зрения, нежели реальным положением дел. В статье очень кратко рассмотрены некоторые проблемы, встречающиеся при использовании систем реального времени.

Инь и Янь в вопросах согласования каналов передачи. Часть 1

Эта учебная статья охватывает основы теории согласования, начиная с простых Г-образных цепей и заканчивая более расширенными концепциями. Автор подробно рассматривает различные методы согласования в каналах передачи.

 

24 марта

Основы теории демодулирующих логарифмических усилителей

Подробно рассматриваются принципы и особенности функционирования демодулирующих логарифмических усилителей. Описываются особенности популярного среди разработчиков усилителя AD8307. Очерчен круг применения логарифмических усилителей.



Д

ля правильной работы радиопередатчиков требуется применение схем измерения и контроля передаваемой мощности. Поскольку системные требования колеблются в широких пределах, схемы контроля мощности могут быть столь же простыми, как например узкодиапазонный диодный детектор. Назначение этого устройства — детектирование таких катастрофических событий как внезапный рост КСВн, который может случиться при поломке антенны. Но для более полного контроля мощности, как в передатчиках базовых станций GSM, в РЧ-детекторах мощности требуются точные измерения с погрешностью ±1 дБ при входном диапазоне мощности 60 дБ или более. Существует множество способов контроля мощности РЧ-сигнала, но больше всего решений построено на постоянно развивающейся технологии логарифмических усилителей (ЛУ). Доступные интегральные схемы логарифмических усилителей имеют значительно больший динамический диапазон (почти в 5 раз), лучшую температурную стабильность и меньшие размеры, по сравнению с диодными детекторами. ЛУ, как и диодные детекторы, чувствительны к напряжению, а не к мощности, хотя изготовители часто оперируют мощностными терминами (обычно — дБм). В результате и ЛУ, и диодные детекторы страдают от ошибок коэффициента амплитуды (пик-фактор), но в случае ЛУ эта ошибка проявляется в смещении напряжения пересечения с осью.

Логарифмические усилители могут совершать больший комплекс операций по сравнению с классическими линейными усилителями, и их схемы значительно отличаются. Наиболее важным назначением ЛУ является не усиление. Главная функция ЛУ — сжатие сигнала широкого динамического диапазона к его децибельному эквиваленту. Возможно, правильнее называть ЛУ логарифмическим преобразователем, т.к. его главным назначением является преобразование сигнала из одной области представления в другую через определённую нелинейную трансформацию.
Для обычного случая, когда все переменные — напряжения, независимо от конструкции усилителя связь между переменными имеет следующий вид:

 (1)

где VOUT — выходное напряжение, VY — напряжение наклона (логарифм обычно имеет основание 10, поэтому VY в этом случае берётся в вольтах на декаду), VIN — входное напряжение, VX — напряжение пересечения (напряжение VIN, при котором VOUT = 0). Все ЛУ косвенно требуют определения двух значений: VX и VY. Выражение (1) математически неполно для описания демодуляции ЛУ, однако основные принципы просты, и мы будем опираться на них, исследуя работу ЛУ.

График на рисунке 1 показывает передаточную характеристику идеального ЛУ в соответствии с уравнением (1). По оси х — логарифмический масштаб, охватывающий динамический диапазон больше 120 дБ (или 6 декад). Выходное напряжение равно нулю при единственном значении VIN = VX и становится отрицательным при входном напряжении ниже напряжения пересечения. В идеальном случае прямая VOUT(VIN) уходит в бесконечность в обоих направлениях.

Штриховая линия показывает, что добавление напряжения смещения VSHIFT вызывает уменьшение напряжения пересечения VX. Точно такое же изменение может быть достигнуто повышением усиления (или уровня сигнала), т.е. изменением отношения VSHIFT/VY. Например, если VY =500 мВ на декаду (25 мВ/дБ), напряжение смещения величиной 150 мВ, добавленное на выход, уменьшит напряжение пересечения VX в 0,2 декады, т.е. на 6 дБ.

Функция ЛУ, описанная уравнением (1), отличается от функции линейного усилителя тем, что мгновенное усиление ∂VOUT/∂VIN в большой степени зависит от мгновенного значения VIN. Это видно при вычислении производной. Для случая, когда основанием логарифма является константа е:

∂VOUT/∂VIN = VY/VIN.              (2)

Данное условие справедливо и для любого другого основания логарифма (которое в нашем случае выбрано равным 10 для связи со всеми величинами, измеряющимися в децибелах). Отсюда следует, что идеальный ЛУ должен иметь бесконечное усиление при малом сигнале (нулевой амплитуды). Этот результат показывает также, что какой бы способ ни использовался для релизации функции усиления, для точного отклика при малом сигнале (нижний край динамического диапазона) требуется обеспечить очень высокую эффективность усилителя. Следствием большого усиления является то, что в отсутствие входного сигнала даже самые малые величины теплового шума на входе ЛУ становятся причиной ограничения выхода. При этом линия передаточной характеристики отклоняется от идеальной, показанной на рисунке 1, и стремится к конечной линии, которая проходит выше или ниже пересечения с осью.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 1. Функция идеального ЛУ

Стоит отметить, что если линия VOUT(VIN) не проходит значение VOUT = 0, напряжение пересечения (VX ) можно получить экстраполяцией.
Учитывая специфические особенности ЛУ, которые позволяют демодулировать входной синусоидальный сигнал, для них используется не выражение (1), а более удобная инженерная формула:

VOUT = VSLOPE (PIN – P0),              (3)

где VOUT — демодулированный или фильтрованный немодулированный вы­ходной сигнал; VSLOPE — логарифмический наклон, выраженный в В/дБ (обычно 15 мВ/дБ < < VSLOPE < 30 мВ/дБ); PIN — входная мощность (выраженная в дБ по отношению к некоторому отсчётному значению); P0 — логарифмический отрезок, отсекаемый на оси мощности (выраженный в дБ по отношению к тому же отсчётному значению).
Наиболее часто в радиоэлектронике используется значение децибел при 1 мВт на 50 Ом, выраженное в дБм. Отметим, что размерность величины (PIN – P0) в уравнении (3) — дБ. Логарифмическая функция исчезла из формулы, т.к. логарифм уже «сидит» в децибельных величинах. Вообще ЛУ, очевидно, пропорциональны не мощности, а напряжению, поэтому более точным было бы пользоваться размерностью дБВ (децибелы по отношению к среднеквадратичному значению 1 В). Однако в таком случае придётся учитывать также форму волны. По этой причине в основном используют дБм на 50 Ом.

Прогрессивное сжатие

Для построения наиболее быстродействующих широкодиапазонных ЛУ используется кусочно-линейная техника — в основе ЛУ лежит каскад из нелинейных усиливающих ячеек (см. рис. 2). Такая конфигурация позволяет получить огромную эффективность усилителя (произведение коэффициента усиления на полосу пропускания).

 

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 2. Каскад из нелинейных усиливающих ячеек

В главной сигнальной части логарифмических усилителей используется N таких ячеек, каждая из которых имеет своё усиление Ki, дБ, и полосу пропускания Δf. Общее усиление составляет примерно (N Ki), дБ, а общая полоса около 0,5…0,7Δf, что в результате обеспечивает большую эффективность усилителя — в сотни тысяч раз больше, чем у типичных ОУ. Такой высокий показатель является предпосылкой к прецизионному выполнению операций при малых сигналах и на высоких частотах. Зато, как видно из выражения (2), при увеличении VIN усиление быстро падает.
Для лучшего понимания сначала рассмотрим упрощённую схему, слегка отличающуюся от реально используемых. Схема базируется на нелинейном усилительном блоке (т.н. ячейке А/1) с передаточной характеристикой показанной на рисунке 3.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис.3. Усилительная функция А/1

Мгновенное малосигнальное усиление ∂VOUT/∂VIN поддерживается равным А для всех входных напряжений, меньших порогового значения Eк. Если на входе напряжение больше Eк, коэффициент передачи падает до единицы. Функция симметрична: такое же падение усиления наблюдается и для значений VIN < –Eк. В ЛУ, базирующихся на такой усилительной функции, и напряжение наклона, и напряжение пересечения зависят от Eк. Соответственно, точность калибровки такого устройства зависит только от этого напряжения. На практике можно отделить друг от друга VY и VX — контролировать их разными источниками.

Пусть входной сигнал каскада из N ячеек равен VIN, а выходной — VOUT. Для малых сигналов усиление каскада составит АN. Если число ячеек N = 6, малосигнальное усиление A = 5, то каскад будет усиливать в 56 = 15625 раз (или 84 дБ). Однако большое усиление малого сигнала при реализации логарифмической функции — это важный, но отнюдь не главный параметр при проектировании ЛУ.
Теперь проанализируем нелинейное поведение каскада при реакции на простой постоянный входной сигнал VIN. Для малых значений сигнала на выходе первой ячейки будет V1 = A VIN, напряжение после второй ячейки V2 = A2 VIN и, соответственно, выходной сигнал каскада VN = AN VIN. При некотором напряжении VIN вход N-й ячейки будет равным пороговому напряжению: VN-1 = EK. Следовательно, при этом VOUT = A EK, а VIN = EK /AN-1. Эта ситуация соответствует переходной точке, обозначенной на рисунке 4 символом.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 4. Первые три перехода кусочно-логарифмической линии

До этой точки каскад усилительных ячеек работает как обычный линейный усилитель, тогда как при большем входном сигнале получается серия линейных сегментов, которые можно аппроксимировать к логарифмической зависимости (см. штриховую прямую на рис. 4).

Дальнейший анализ показывает, что следующий переход возникает, когда на входе N–1 ячейки будет напряжение EK, т.е. при VIN = EK/AN-2. Вход N-го звена в этом случае станет равным VN-1 = A EK и, как видно из графика рисунка 1, на выходе каскада получаем (2A – 1)EK (на рис. 4 это соответствует точке ). Таким образом, при увеличении VIN от значения
EK/AN-1 до величины EK/AN-2 выход изменяется на EK. Следующая критическая точка  достигается при увеличении входа ещё в А раз. На выходе в этом случае имеем VOUT = (3A – 2)EK, т.е. на (A – 1)EK больше, чем в предыдущей переходной точке. Несложно догадаться, что и при дальнейшем увеличении VIN в А раз VOUT меняется на (A – 1)EK. Такое поведение упрощённо можно выразить как lgA. Например, если А = 5, изломы в кусочно-линейной выходной функции будут наблюдаться через интервалы величиной 0,7 декады (что соответствует lg5, или 14 дБ/20 дБ). Напишем выражение для масштабирующего напряжения VY, используя 10-логарифмический базис:


(4)


Следует отметить, что в выражение для VY входят только два параметра — A и EК, тогда как число ячеек N не влияет на наклон общей выходной характеристики. Для A = 5 и EК =100 мВ наклон составит примерно 572,3 мВ на декаду (28,6 мВ/дБ).
Напряжение пересечения VX можно определить по двум переходным точкам выходной функции (см. рис. 4):

 

 (5)

 

Если, например, число ячеек N = 6, A = 5 и EК = 100 мВ, то VX = 4,28 мкВ. Этот параметр следует использовать аккуратнее, т.к. он уже был ранее определён как входное напряжение, при котором имеется ноль на выходе (см. рис. 1). Но очевидно, что в отсутствие шумов и смещений выход усилительной ячейки на рис. 3 будет нулевым тогда и только тогда, когда и VIN =0. Эта «аномалия» происходит из-за конечного значения усиления. Напряжение, найденное из выраже-
ния (5), представляет собой не действительное, а экстраполированное значение.

Демодулирующие логарифмические усилители

ЛУ, базирующиеся на каскаде ячеек А/1, пригодны для использования в немодулированных передачах, т.к. они не демодулируют входной сигнал. Однако и немодулирующие и демодулирующие ЛУ можно построить с использованием другого типа усилительного каскада — на ячейках А/0. Их функция отличается от А/1 тем, что после прохождения значения VIN = EК усиление входного сигнала падает до нуля (см. рис. 5).

 

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 5. A/0 усилительные функции (идеальная и тангенциальная — th)

Такое поведение похоже на ограничительную функцию, а цепь из N таких ячеек часто используется для построения выхода с жестким ограничением для восстановления сигнала при частотной и фазовой модуляции.
Многие усилители фирмы Analog Devices, содержащие ЛУ промежуточной частоты, используют данную технику. Очевидно, что выход последнего каскада перестаёт быть логарифмическим после того, как входное напряжение превышает порог VIN = EК/AN-1. Логарифмический выход получается путём суммирования выходов каждой из ячеек. Полный анализ такого рода ЛУ немного сложнее предыдущего. Для практических целей выражение для VX идентично выражению (5), тогда как напряжение наклона

 

 (6)

 

Преимущество использования функции A/0 перед А/1 базируется на следующих соображениях. Во-первых, ячейки А/0 легко конструируются. Их можно построить на дифференциальных парах биполярных транзисторов с резистивными нагрузками RL и эмиттерным источником тока IE. Для этого случая можно выразить эквивалентное коленное напряжение EК = 2kT/q и малосигнальное усиление A = IERL/EK. Передаточная функция при большом сигнале превращается в гиперболический тангенс (см. штриховую линию на рис. 5). Эта функция очень точная, и отклонение от идеальной траектории А/0 не является большим. Фактически, округление колена функцией th приводит к сглаживанию идеальной A/0-функции, что ближе соответствует логарифму.

Усилители, построенные на таких ячейках, по структуре полностью дифференциальны, и потому они маловосприимчивы к помехам в передающих линиях, а при хорошем исполнении — и к вариациям температуры. Выход каждой усилительной ячейки соединён с соответствующей транскондуктивной ячейкой (gm — крутизна), которая преобразует дифференциальное выходное напряжение ячейки в пару дифференциальных токов, которые суммируются путём объединения выходов всех gm-ячеек (детекторов, демодуляторов). Затем общий ток преобразуется обратно в напряжение трансрезистивной ячейкой для получения логарифмического выхода. Такая структура представлена на рисунке 6.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 6. ЛУ, использующий A/0-каскад и вспомогательные суммирующие ячейки

Главное преимущество такого подхода в том, что напряжение наклона можно выразить из порогового напряжения EК = 2kT/q, т.е. оно пропорционально абсолютной температуре (PTAT). Простым суммированием выходов ячеек можно получить очень большой температурный коэффициент в напряжении наклона (см. выражение 6). Для этого детекторные ячейки gm смещаются токами, стабильными к температуре (на рисунке не показаны). Токи могут браться либо от внешнего источника питания либо от внутреннего опорного источника. Такая конфигурация позволяет установить контроль над величиной и температурным поведением логарифмического наклона, исключая использование EК.

Далее следует обеспечить демодуляционную реакцию, требуемую в том случае, когда ЛУ преобразует изменяющийся входной сигнал в немодулированный выход «квазипостоянного» тока. Это достигается добавлением в gm-ячейки, использующиеся для суммирования, функции спрямления.

Можно смоделировать такие детекторы, которые по сути являются линейными gm-ячейками, но имеющими на выходе ток, не зависящий от знака напряжения на входе каждой ячейки. Это значит, что они реализуют функцию от абсолютного значения. Если выход последних ячеек близко приближается к амплитудно-симметричной прямоугольной волне, то даже для умеренных входных уровней (большинство ячеек усилительной цепочки работает в ограничительном режиме) выходной ток каждого детектора будет постоянным в течение каждого периода входного сигнала. Ранее детекторные каскады производили сигнал с краткими прерываниями, тогда как сегодняшние детекторы производят низкоуровневую, почти синусоидальной формы, волну с удвоенной (по сравнению с входным сигналом) частотой. Получаемый сигнал легче фильтруется, что приводит, в свою очередь, к низкой остаточной пульсации на выходе.

Калибровка напряжения пересечения VX

При использовании конфигурации, изображенной на рис. 6, основное значение напряжения пересечения значительно отклоняется от расчётного. Однако истинное VX остаётся пропорциональным напряжению EK, которое, в свою очередь, прямо пропорционально температуре (см. выражение 5). Учитывая, что реакция от добавления напряжения смещения на выход малоразличима по сравнению с изменением положения VX, можно пресечь колебания VX, вызванные температурным изменением EK, путём добавления смещения с требуемым температурным поведением.
Прецизионное температурное формирование позиции напряжения VX приводит к стабильности коэффициентов масштабирования ЛУ, что делает его точным измерительным устройством, пригодным для использования в качестве индикатора уровня принимаемого сигнала (RSSI). В этом применении наибольший интерес представляет уровень выходного напряжения для соответствующего входного сигнала, который неизменно имеет синусоидальную форму. Входной уровень также можно определить как эквивалентная мощность, в дБм, но в данном случае следует проявить осторожность. Очень важно знать импеданс нагрузки, при которой предполагается измерять эту мощность.

В ВЧ-электронике, как правило, принимают опорный импеданс 50 Ом, при котором 0 дБм (1 мВт) отвечает синусоидальному напряжению амплитудой 316,2 мВ (среднеквадратичное значение = 223,6 мВ). Напряжение пересечения также можно выразить в дБм. Однако следует помнить, что ЛУ логарифмируют не мощность, а приложенное ко входу напряжение.
Входной импеданс усилителей обычно значительно выше 50 Ом ( например, для усилителя AD8307 типичное значение Rвх на низких частотах равно 1,1 кОм). Простая согласующая схема на входе может значительно улучшить чувствительность ЛУ такого типа, что увеличит входной потенциал и, таким образом, изменит напряжение пересечения.

Стоит отметить, что эффективное напряжение пересечения зависит от формы волны. К примеру, прямоугольная волна будет считываться на 6 дБ выше, чем синус такой же амплитуды, а нормальный (Гауссов) входной шум на 0,5 дБ выше, чем синус такого же среднеквадратичного значения.

Управление смещением

В монолитных ЛУ часто применяется непосредственное соединение между каскадами. Во-первых, это избавляет от использования соединительных конденсаторов, которые обычно занимают площадь на кристалле, сопоставимую с площадью усилительной ячейки. Во-вторых, значение этих емкостей определяет нижнее значение частоты, при которой ЛУ будет функционировать (для средних значений конденсаторров нижняя частота может составлять более 30 МГц, значительно ограничивая диапазон применения). В-третьих, паразитные ёмкости снижают динамический диапазон ячейки, также ограничивая применение.

Однако очень высокое усиление постоянного сигнала усилителей с непосредственными связями имеет свои недостатки. Напряжение смещения в начальных каскадах цепочки неотличимо от полезного сигнала. Например, если оно равно 400 мкВ, то это на 18 дБ больше, чем наименьший переменный сигнал (50 мкВ), что сужает потенциальный динамический диапазон. Такая проблема предотвращается использованием цепи общей обратной связи с последнего каскада в первый, что корректирует это напряжение смещения так же, как это происходит при ООС в обычном операционном усилителе. Высокочастотная составляющая сигнала ОС, несомненно, должна быть исключена, чтобы предотвратить уменьшение ВЧ-усиления в цепи прямой передачи.

В AD8307 это достигается применением расположенного на кристалле фильтра, обеспечивающего подавление высоких частот ОС, достаточное для нормального функционирования на частотах выше 1 МГц. Для расширения диапазона путём понижения этой частоты предусмотрена возможность подключения внешнего конденсатора. Стоит отметить, что от этого конденсатора не будет толку на минимальной сигнальной частоте для входных уровней выше напряжения смещения; эта ситуация сохраняется вплоть до нулевой частоты (для сигнала, приложенного непосредственно к входным контактам).

Расширение динамического диапазона

Теоретическое значение динамического диапазона (ДД) обычных ЛУ со структурой, изображенной на рисунке 6, составляет АN. При А = 5,2 (14,3 дБ) и N = 6 ДД равен 20000, или 86 дБ. Фактическая нижняя граница ДД в значительной степени определяется уровнем теплового шума на входе усилительной цепочки. Верхний край ДД поднят включением ограничивающих детекторов. Входной сигнал поступает на разветвляющий делитель (аттенюатор), и постепенно уменьшающиеся сигналы идут на три пассивные выпрямляющие gm-ячейки, выходы которых суммируются с выходами основных детекторов. При хорошем дизайне распространение ДД может быть непрерывным на всём частотном диапазоне. Для AD8307 эта величина достигает 27 дБ.

Итоги

Современные логарифмические усилители могут принимать входные сигналы с частотой более 8 ГГц, замещая собой более традиционные диодные детекторы. Хорошее время отклика, исключительная температурная стабильность, поддерживающиеся на достаточно широком динамическом диапазоне, а также вожможность температурной компенсации делают этот тип устройств незаменимым измерителем мощности радиосигналов в таких системах как GSM, CDMA, WCDMA, TD-SCDMA и индикации принимаемого сигнала RSSI.

Литература

1. Самков И.Ю. Логарифмические усилители для точного измерения мощности, Электронные компоненты, №3, 2008.
2. Datasheet for AD8703, Analog Devices, 2001.
3. Cory R., Halford P. Make Precise Base-Sta­tion Power Measurements, Microwawes&RF, November 2002.
4. Israelsohn J. Make short work of RF power measurment.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Иван Самков, разработчик, МКБ «Компас»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты