Малосигнальная полоса пропускания в эпоху «биг-бэнда»


PDF версия

В статье обсуждаются способы применения недорогих операционных усилителей, в которых полоса пропускания малых сигналов позволяет создавать оптимальные по характеристикам и стоимости приложения. Статья представляет собой перевод [1].

Эпоха биг-бэндов — так называлось время, когда для исполнения поп-музыки требовалось множество инструментов. Сегодня знамением времени стало увеличение полосы пропускания всех портативных устройств. Бурный рост числа пользователей интернет, мобильных телефонов с возможностью подключения к сети (3G, 4G, LTE и WiFi), музыкальных плееров и цифровых видеокамер сместил спектр потребительских ожиданий в сторону более широкой полосы пропускания. Необходимость передачи громадного объема информации на портативные устройства диктует высокие требования к полосе пропускания. Зачем же дискутировать на тему малосигнальной полосы пропускания?
В документации на некоторые операционные усилители (ОУ) отдельно указывают специальную характеристику — малосигнальную полосу пропускания. (Все ОУ имеют режим работы с максимальной шириной полосы пропускания (sweet spot), даже если это не указывается в документации). Эта характеристика обычно ограничена амплитудой сигнала, примерно равной 0,1 В, и на первый взгляд кажется, что используется исключительно для того, чтобы сравнивать операционные усилители и подчеркивать преимущества ОУ определенной компании перед продукцией конкурентов.
Однако в некоторых приложениях используется малосигнальная полоса пропускания, которая для ОУ может быть во много раз шире, чем полоса пропускания сигнала большого уровня. Например, ОУ MAX4104 имеет полосу пропускания малого сигнала (амплитудой 0,1 В и менее) на уровне 625 МГц, а для сигнала большого уровня (амплитудой сигнала полного размаха 2 В) — 11 МГц. В большинстве приложений используется полоса пропускания сигнала большого уровня. Полоса пропускания малого сигнала шире, поскольку ОУ работает в средней зоне максимальной полосы пропускания (см. рис. 1).
Как правило, максимальная ширина полосы пропускания для входного сигнала обеспечивается при напряжении, равном половине напряжения питания ОУ. В этой области работы линейность усилителя максимальна, а качество сигнала максимально высокое. ОУ имеют высокий коэффициент усиления разомкнутой цепи, а для управления используется отрицательная обратная связь с тем, чтобы повысить стабильность и линейность за счет высокого коэффициента усиления.
При приближении амплитуды выходного сигнала усилителя к напряжению питания обеих полярностей, обратная связь ослабляется, что в свою очередь уменьшает возможность линеаризации характеристики усилителя. Поскольку обратная связь ослабляется вне максимальной ширины полосы пропускания, частотная характеристика ухудшается, а искажения возрастают.
Операционные усилители, которые обеспечивают выходной сигнал полного размаха, используют специальные схемные решения, позволяющие минимизировать искажения вблизи потенциалов напряжения питания. Однако при детальном изучении документации выясняется, что для выходного сигнала полного размаха выходной ток уменьшается до нуля при напряжении, равном максимальному напряжению питания.
Современные ОУ изготавливаются по технологии, которая обеспечивает полосу пропускания отдельных транзисторов величиной несколько гигагерц. ОУ, однако, содержит от десятков до сотен транзисторов, резисторов и конденсаторов, поэтому общая полоса пропускания всей схемы уменьшается — часто на порядок и более.
Среди последствий такого естественного уменьшения ширины полосы пропускания — фазовые и амплитудные погрешности, вызванные влиянием паразитных межкаскадных емкостей и сопротивлений. Уменьшение ширины полосы пропускания ограничивает скорость нарастания выходного напряжения и является, как и ожидалось, чувствительным к амплитуде сигнала. Поэтому слабые сигналы имеют более широкую полосу пропускания, чем сигналы высокого уровня.
В некоторых приложениях, однако, можно с успехом использовать малосигнальную полосу пропускания. В одном таком приложении — преобразователе полного сопротивления для удаленного датчика — сигнал управления низкого уровня должен поступать на сравнительно длинный кабель. Системные требования этого приложения могут включать усиление до десятков вольт и способность работать на 50-Ом или 75-Ом коаксиальный кабель. Входной усилитель в системе обычно определяет отношение сигнал-шум.
Несомненно, полоса пропускания и отношение сигнал-шум связаны между собой. Таким образом, использование малосигнальной полосы пропускания путем ограничения амплитуды позволяет применить менее дорогостоящий ОУ, который потребляет меньший ток.

 

Рис. 1. Характеристики сигнала определяют полосу пропускания операционного усилителя

 

Эффективное использование частотных характеристик

Хотя ограничение полосы пропускания ухудшает характеристики ОУ, можно использовать это ограничение оптимально, чтобы получить максимальную отдачу от недорогого ОУ. Например, представим, что вам понадобилось ограничить полосу пропускания сигнала с помощью простого 1-МГц фильтра нижних частот. Для некритичных приложений можно использовать недорогой ОУ, например, MAX4245 (см. рис. 2а). Для 3-МГц фильтра нижних частот можно использовать MAX4330 (см. рис. 2б). Для более критичных приложений лучше подходит активный фильтр Саллена-Ки, с помощью которого можно точно контролировать частоту среза и крутизну характеристики.

 

а)
б)
а)
б)
Рис. 2. В этих схемах применяются недорогие ОУ, поскольку полоса пропускания сигнала в них ограничена до 1 МГц (а) и 3 МГц (б)

Низкочастотную полосу пропускания можно комбинировать с другими способами, позволяющими снизить стоимость системы. Например, прецизионный выпрямитель, состоящий из «идеальных диодов» может сгладить фронты сигнала за счет уменьшения полосы пропускания сигнала. («Идеальный диод» — это операционный усилитель с диодом в цепи обратной связи, который обеспечивает диодную характеристику без обычного падения прямого напряжения, как показано на рисунке 3).

 

Рис. 3. Диоды в цепи обратной связи ОУ позволяют выполнять двухполупериодное выпрямление без потерь, связанных с падением прямого напряжения в диодах

Схема, которая преобразует дифференциальные сигналы в несимметричные сигналы и одновременно уменьшает высокочастотный шум, может также функционировать на базе недорогих ОУ. В качестве еще одного примера можно привести компаратор с гистерезисом (триггер Шмитта), который игнорирует высокочастотный шум в пороговом напряжении (см. рис. 4). Шум ниже уровня порогового напряжения игнорируется, а положительная обратная связь запирает выходное состояние до тех пор, пока напряжение не превысит противоположного порогового значения. Скорость нарастания выходного напряжения ограничивается характеристикой ОУ.

 

Рис. 4. Довольно узкая полоса пропускания этого недорогого ОУ позволяет триггеру Шмитта игнорировать высокочастотный шум

Как правило, низкоскоростные ОУ недороги и способны уменьшить стоимость системы благодаря оптимальному сочетанию особенностей собственной частотной характеристики. Схемы смещения и формирования опорного напряжения или тока для источников питания используют низкочастотные характеристики ОУ для подавления помех и формирования «чистого» питания. ОУ могут изолировать одни схемы от других и действовать как фильтры нижних частот. Например, на рисунке 5 показано, как с помощью повторителей напряжения на ОУ можно разделить один источник опорного напряжения между АЦП, ЦАП и другими схемами. Высокий входной и низкий выходной импеданс повторителя позволяют изолировать друг от друга различные схемы. Такая развязка уменьшает эффект длины проводников на печатной плате и препятствует появлению перекрестных помех между цепями. Поскольку предполагается, что выход опорного напряжения представляет собой постоянный уровень напряжения, ОУ с узкой полосой пропускания улучшают качество опорного напряжения, действуя как фильтры нижних частот.

 

Рис. 5. С помощью недорогих ОУ можно разделить одно опорное напряжение между разными схемами, причем узкая полоса пропускания этих ОУ служит в качестве фильтра внешних помех

Мы находимся на этапе бурного роста коммуникационных услуг, потребители которых надеются получить доступ к высокоскоростным сетям передачи данных. Правительственные организации в США начали обсуждать пути предоставления всеобщего доступа к широкополосным сервисам аналогично тому, как в XX в. разворачивалась государственная поддержка инфраструктурных проектов. Эти проекты — электрификация сельского хозяйства, всеобщая телефонная сеть и система скоростных автомагистралей — значительно повысили тогда уровень жизни.
Когда мы обдумываем пути развития все более широкополосной связи, мы не должны забывать обо всех системах контроля полосы пропускания. Схемы компенсации, селекции каналов, автоматической регулировки усиления (АРУ) и автоматической подстройки частоты (АПЧ), а также многие другие узлы требуют низкоскоростного, низкочастотного управления. Даже в современную эру биг-бэндов узкополосные операционные усилители должны занимать свое прочное место в системе.

Литература
1. Bill Laumeister. Small signal bandwidth in a big band era//www.eetimes.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *