Широкополосный понижающий конвертор с двойным преобразованием частоты

Большинство приемников работает в условиях, требующих от них большого динамического диапа­зона по входу. При большом сквозном коэффици­енте усиления самую большую нагрузку испытыва­ют выходные каскады. Регулирование усиления снижает требования к каскадам, расположенным за усилителем с регулируемым усилением, за счет предотвращения перегрузки и интермодуля­ционных искажений и поддерживает постоянным рабочий уровень на входе демодулятора. При этом могут использоваться разные методы.

Самый простой метод регулирования усиления предполагает использование переменного атте­нюатора, который устанавливается между входом и первым активным каскадом. Аттенюатор снижа­ет уровень сигнала по входу, увеличивая, тем са­мым, динамический диапазон по входу, но он так­же уменьшает отношение несущая/шум (C/N), что особенно заметно при приеме слабых сигналов.

Регулирование усиления может быть распреде­лено между несколькими каскадами усиления, так чтобы усиление последних каскадов усиления промежуточной частоты (IF) начинало уменьшать­ся раньше, а усиление каскадов, расположенных ближе к входу (RF или первой IF), уменьшалось только при достижении сигналом существенно бо­лее высокого уровня, что помогает обеспечивать высокий уровень отношения C/N.

Если усиление на RF желательно уменьшить на фиксированную величину, перед входным каскадом усиления может быть включен ступенчатый аттенюатор, который отключается при низком уровне сиг­нала. При этом плавное регулирование усиления последующих каскадов может производиться уже при более низких уровнях сигнала.

Усилители с регулируемым усилением управля­ются путем подачи на их вход управления постоян­ного напряжения, а аттенюаторы могут управляться и напряжением, и с помощью электронных переклю­чателей, если это ступенчатые аттенюаторы.

На рис.4 показана структурная схема усилителя с АРУ. Входной сигнал усиливается усилителем с ре­гулируемым усилением (VGA), управление усилени­ем которого осуществляется с помощью внешнего постоянного напряжения (Vc). Входной сигнал VGA может в дальнейшем быть усилен вторым каскадом без регулировки для получения требуемого уровня сигнала по выходу Vo. Некоторые из параметров ме­шающих сигналов, такие, как амплитуда, частота несущей, индекс и частотный диапазон модуляции, воздействуют на детектор, а продукты их детектирования присут­ствуют в его выходном сигнале. Поэто­му любой нежелательный компонент должен быть отфильтрован фильтром нижних частот на выходе детектора. В дифференциальном усилителе произ­водится сравнивание сигнала обратной связи с опорным напряжением. Ре­зультат сравнения используется для формирования управляющего напря­жения (напряжения ошибки) — Vc для регулирования усиления VGA.

Рис. 4

Если постоянная времени цепи обратной связи, которая определяется, в первую очередь, детекто­ром, а дополнительный усилитель имеет более ши­рокий диапазон, чем детектор, то время нараста­ния и спада переходного процесса за счет дополнительного усиления будет более коротким.

Для входных сигналов низкого уровня схема АРУ неактивна, и уровень выходного сигнала является линейной функцией входного (см. идеальную ха­рактеристику АРУ — рис.5). Это продолжается вплоть до достижения управляющим напряжением уровня опорного напряжения (V1), после чего АРУ начинает действовать и поддерживает выходной уровень постоянным вплоть до достижения второ­го порогового напряжения (V2). В этой точке схе­ма АРУ опять прекращает действовать. Этот режим вызван ограничением величины коэффициента усиления VGA, которое связано с тем, что при боль­ших коэффициентах усиления могут возникнуть проблемы с устойчивостью усилителя.

Рис. 5

Если усиление петли велико, статическая ошибка петли регулирования Типа 0 очень мала. У петель АРУ Типа 1 и Типа 2 статическая ошибка во­обще отсутствует.

Линии, соединяющие точки А, В и С (см. харак­теристику реальной системы — рис.6), представ­ляют поведение системы, в которой АРУ отсутст­вует. Амплитуда выходного сигнала растет по линейному закону до момента достижения точки В, в которой некоторые из элементов сигнально­го тракта испытывают перегрузку, а их передаточ­ная характеристика становится нелинейной. Меж­ду точками В и С сигнал искажен, а система неработоспособна. При увеличении коэффициен­та усиления петли увеличивается наклон линии АВ, а уровень входного напряжения, соответствующий моменту появления искажений, понижается. Ли­нии AD и DE характеризуют работу идеальной си­стемы АРУ. Если крутизна на отрезке AD больше, чем единица, то это значит, что схема АРУ на уча­стке до детектора имеет усиление.

Рис. 6

Точка D, в которой происходит переход к посто­янному уровню, соответствует пороговому уров­ню или уровню «задержки». На участке от D до Е выходной уровень не увеличивается при увеличе­нии уровня входного сигнала. То, насколько посто­янным будет уровень сигнала на участке DE, зави­сит от общего коэффициента усиления петли (так называемой, «крутизны» АРУ), а также от ее поряд­ка, который определяется количеством интегриру­ющих звеньев в ней. Из сказанного можно сделать такие выводы:

• задержка АРУ не может быть установлена на произвольно низком уровне;
• выше уровня задержки АРУ ее параметры мо­гут быть неравномерными (особенно при малой крутизне регулирования), достигая неравномер­ности от 6 дБ до 10 дБ (определяется точностью детектора, величиной усиления обратной связи и порядком петли);
• системы АРУ, которые управляются внешним относительно петли опорным напряжением, назы­ваются системами с «задержанной» АРУ.

В разработанном нами конверторе схема АРУ построена на двух микросхемах компании Analog Devices типов ADL5330 (VGA) и AD8318 (логариф­мический детектор — компаратор).

ADL5330

Микросхема ADL5330 — это высококачествен­ный усилитель-аттенюатор, управляемый напря­жением, который предназначен для использова­ния в частотном диапазоне до 3 ГГц.

Структурная схема микросхемы ADL5330 пока­зана на рис.7.

Рис. 7

Для того чтобы уменьшить риск прямого про­хождения с входа на выход сигнала, вызванного RF-излучением, особенно при низком уровне сиг­нала на выходе на высоких частотах, для входно­го и выходного сигналов используются балансные схемы включения. Если используется несиммет­ричный входной сигнал, то его преобразование к балансному виду производится в самой микросхе­ме. Крутизна регулировочной характеристики ми­кросхемы равна 20 мВ/дБ. К выходу высокоточно­го широкополосного аттенюатора подключен выходной каскад дифференциального трансимпедансного усилителя. В широкополосных примене­ниях фирма-изготовитель рекомендует использо­вать симметрирующие трансформаторы типа ETC1-1-13 от M/A-COM.

Микросхема может служить в качестве OVGA в тех применениях, для которых характерен относи­тельно постоянный входной уровень, а выходной уровень должен перестраиваться в широких пре­делах. Обычно для OVGA характерно уменьшение параметров IP3 и Р1 дБ по выходу при уменьшении коэффициента передачи.

Линейная по отношению шкалы дБ характери­стика регулирования усиления соответствует из­менению напряжения на входе управления в пре­делах от 0 до +1,4 В. Причем эта зависимость прямая, т.е. более высокому управляющему напря­жению соответствует большее усиление.

После резистивного аттенюатора, который име­ет лестничную структуру, расположен трансимпедансный усилитель с фиксированным коэффици­ентом усиления, выполняющий функцию буфера, который изолирует аттенюатор от нагрузки. При высоком усилении шумовое окно определяется входным каскадом. При уменьшении коэффициен­та передачи приведенный к входу коэффициент шума будет расти за счет потерь в аттенюаторе, и при превышении некоторого критического значе­ния будет увеличиваться настолько дБ, на сколь­ко дБ будет уменьшаться коэффициент передачи.

В режиме замкнутой петли регулирования на­пряжение, подаваемое на вывод GAIN (вывод 24 ми­кросхемы ADL5330), определяет коэффициент пе­редачи микросхемы. Входное сопротивление по этому выводу равно 1 МОм. При изменении управ­ляющего напряжения в пределах от 0 до +1,4 В, ко­эффициент передачи изменяется от -38 дБ до +22 дБ. При малом усилении микросхема потребляет ток 100 мА, а при максимальном (напряжение на уп­равляющем входе +1,4 В) ток возрастает до 215 мА. Точка компрессии на 1 дБ по входу почти во всем диапазоне регулирования постоянна и равна +3 дБм. Мощность собственных шумов на выходе при напряжении на управляющем входе не ниже 1 В по­стоянна и увеличивается при уменьшении этого на­пряжения. Частотный диапазон по управляющему входу около 3 МГц. Поскольку ADL5330 характери­зуется точным регулированием усиления. С ее по­мощью совместно с детектором типа AD8318 мож­но достичь режима точного автоматического регулирования уровня выходной мощности. При ра­боте в режиме АРУ часть выходной мощности ми­кросхемы ADL5330 ответвляется в детектор (обыч­но используется направленный ответвитель и дополнительный аттенюатор). Детектор АРУ уста­новлен после определяющего полосу канала филь­тра на ПАВ, и за ним следует развязывающий уси­литель (см. схему рис.1). Этот усилитель устраняет влияние нагрузки на детектор.

AD8318

Микросхема AD8318 — это логарифмический усилитель-детектор, способный точно преобразо­вывать амплитуду входного RF сигнала в соответствующее ей значение напряжения согласно лога­рифмической шкале.

Структурная схема микросхемы AD8318 пока­зана на рис.8.

Рис. 8

Цепочка каскадно-включенных усилителей производит прогрессивное сжатие сигнала, формируя логарифмическую зависимость. Причем каждый из усилителей содержит собственный де­тектор. Микросхема может использоваться в ре­жимах управления или измерения. AD8318 выпол­няет точное логарифмическое представление амплитуды входных сигналов в полосе частот от 1 МГц до 6 ГГц, а сохраняет работоспособность до частоты 8 ГГц. Динамический диапазон по вхо­ду — около 60 дБ с логарифмической ошибкой в пределах ±1 дБ.

Быстродействие AD8318- 10 не, что позволя­ет детектировать RF пакеты, передаваемые с ча­стотами до 45 МГц. Точность логарифмического представления входных сигналов при изменении температуры среды очень высока. Кроме того, микросхема имеет встроенный датчик темпера­туры с крутизной 2 мВ/°С, который может ис­пользоваться для мониторинга температурного режима. Напряжение питания 5 В, потребляемый ток — 68 мА.

Первым шагом при проектировании петли АРУ является определение уровня выходной мощнос­ти. Она может быть рассчитана, исходя из соотно­шения уровней на входе и выходе или из допусти­мого уровня искажений, являющихся следствием компрессии (изменение Pin/изменение Pout). С другой стороны, эта величина определяется диа­пазоном регулирования регулирующего элемента (усилителя или аттенюатора). В процессе проекти­рования должна быть установлена зависимость между величиной управляющего напряжения и усилением (затуханием), вносимым регулирующим элементом. Обычно для регулирующих элементов указывается крутизна изменения коэффициента передачи от управляющего напряжения, но лучше иметь измеренную зависимость коэффициента передачи от управляющего напряжения.

Ссылки

1. Ксензенко П., Химич П. Аналоговая часть пря­мого QPSK модулятора с большим диапазоном пе­рестройки по частоте // Радиоаматор. — 2015. — №6, 7-8, 10.

Автор: Петр Ксензенко_, Петр Химич, г. Киев
Источник: Радиоаматор №11-12, 2015