Introducción

Este diseño de la tecnología de alta frecuencia y los sistemas de control de alta frecuencia son la piedra angular del diseño analógico de precisión, que se extiende mucho más allá de la simple amplificación. Una aplicación sofisticada y práctica es su uso en multiplicadores de frecuencia activa para los generadores de señales.

Principios de la multiplicación de frecuencias utilizando amplificadores operativos

La multiplicación de frecuencias es fundamentalmente un proceso no lineal. Una entrada sinusoidal pura de frecuencia f] contiene energía solamente a esa frecuencia única. Producir una nueva señal a un motor múltiple 2f, 3f, o superior, la línea de retroceso original debe ser deliberadamente distorsionada

Por qué la no linealidad es esencial

Los circuitos lineales conservan la forma de una señal de entrada para pequeñas amplitudes; cualquier alteración del contenido de frecuencia requiere una salida de la linealidad. La alta ganancia de apertura de op-amp permite crear funciones de transferencia no lineal agudas y predecibles. Por ejemplo, un simple clipper de diodo a través del bucle de retroalimentación obliga al amplificador a saturar simétricamente o asimétricamente, generando una gran riqueza de dioptónica.

El Op-Amp como elemento no lineal controlado

Esta tecnología de alta calidad, que permite una reducción de la velocidad de la carga, permite que los transductores de alta calidad, minimizando la capacidad de la señal de alta calidad y los transductores de alta calidad, y que se utilizan para la pérdida de la señal de alta calidad, y que se utilizan para la reducción de la velocidad.

Topologías comunes de multiplicador activo

Varios circuitos basados en op-amp producen una multiplicación de frecuencia confiable. La elección de topología depende del factor de multiplicación requerido, el nivel aceptable de armónicos espurios, y el rango de frecuencia de operación. A continuación se presentan tres enfoques ampliamente utilizados, junto con la orientación sobre cuándo seleccionar cada uno.

Dobler receptor de precisión de un cuerpo completo

Una de las formas más sencillas de duplicar una frecuencia es aplicar la rectificación de onda completa a una onda sine. La forma de onda resultante repite dos veces la frecuencia fundamental y contiene un componente fuerte de segunda fila además de un DC offset. Un rectificado de precisión clásico de onda completa construido alrededor de un o-amp único con diodos emparejados (como el circuito AD827 o la salida de salida de las frecuencias inferiores) elimina el

Generador Armonizado de Ligero

Cuando una onda sine conduce un op configurado como un amplificador inversor con dos diodos antiparalelos en la ruta de retroalimentación, los clips de salida suavemente una vez que la señal supere el voltaje de diodo hacia adelante (Ω0.6 V para silicio).El recortado redondo produce una frecuencia moderada y hasta armónica, haciendo este circuito adecuado para generar múltiples de baja orden con una distorsión de intermodulación.

Fase-Shift Sine Tripler

Un método más sofisticado para tripling de frecuencia utiliza una red que crea tres ondas sine separadas por 120°, luego las resume después de pasar cada uno a través de un oleaje no lineal. Los filtros de paso completo de Op-amp pueden proporcionar los cambios de fase necesarios, y el clipado de diodo o un par transistor puede generar la no linearidad cubilla que enfatiza la tercera armónica.

Selección de componentes y requisitos de solución de impacto

El rendimiento de cualquier hinges de multiplicador de frecuencia activa en la elección de un op-amp cuyas características dinámicas coinciden o exceden la mayor frecuencia de interés. Los parámetros clave incluyen el producto de ancho de banda de ganancia (GBW), la velocidad de mordaza, la distorsión armónica total (THD), el ruido de tensión de entrada y la corriente de sesgo de entrada.

  • ] Producto ancho de banda: Para un doble funcionamiento a 10 MHz, el op-amp debe tener un GBW cómodamente por encima de 20 MHz, a menudo en la gama 100 MHz para asegurar una buena ganancia de bucle en las armónicas y mantener la rectificación de precisión. La menor GBW causará cambios excesivos de fase y errores de amplitud en frecuencias altas.
  • Tamaño de flujo:[FLT: 1] Incluso cuando la salida es una onda sine, los bordes transitorios durante el recorte o la rectificación exigen una velocidad de rocío rápida.Una regla de pulgar es seleccionar un amplificador con una tasa de rocío al menos 2π · fmax[LT:4]
  • Total harmonic distortion: El multiplicador añade distorsión por diseño, pero la propia no linealidad de op-amp puede introducir espuelas no deseadas. Los amplificadores de bajo THD por debajo del nivel de recortado aseguran que el armónico generado sea principalmente de la red no lineal intencionada. Para multiplicadores de alta calidad, busquen cifras de THD por debajo de 0.001%.
  • нертенниенниных ruido de tensión: se realiza / se usa con el ruido de fase en la salida multiplicada, especialmente en aplicaciones de filtrado de banda estrecha. Se recomienda un opac de baja altura (por ejemplo, con densidad de ruido de tensión) 5 nV/√Hz) para las etapas de multiplicador utilizadas en generadores de señal de precisión.
  • нерентениеннния tensión offset y corriente de sesgo: se realiza / sesgado de confianza El voltaje de Offset puede causar errores de DC en la etapa rectificadora, lo que conduce a la asimetría y a un mayor avance fundamental. Las variaciones actuales con temperatura también pueden degradar el rendimiento. Elija los op-amps con baja compensación (por ejemplo, неле 1 mV) y sescifran la cancelación de corriente de ses.

Para las frecuencias superiores a unos pocos MHz, los dispositivos de entrada bipolar tradicionales como el NE5534 o OPA2134 pueden luchar; los amplificadores de corriente actual (CFAs) y los dispositivos de alimentación de tensión con altas tasas de flujo, como el OPA847, THS3001, o LM6172, se hacen necesarios.

Diseño de un doble de frecuencia: paso a paso

Un ejemplo práctico de diseño ilustra cómo la teoría se traduce en hardware. El objetivo es construir una frecuencia de precisión doble que acepta un 1 MHz, 1 Vpk] onda sine y ofrece una salida limpia de 2 MHz con una variación mínima de amplitud. Los siguientes pasos guían el diseño de concepto a medida.

Descripción del circuito y operación

El extremo frontal es un rectificador de precisión de onda completa mejorado con un OPA2830 doble voltaje-alimentación (GBW 250 MHz, velocidad de slew 400 V/μs). La primera etapa realiza rectificación de media onda; la segunda resume la entrada original con la señal rectificada de media onda para producir una onda completa de medición de la resistencia del condensador es crítica -0.1% de tolerancia

Filtrar el producto

El filtro de la banda de alta frecuencia se puede eliminar mediante un filtro de alta frecuencia (p. ej.) de la banda de alta frecuencia (p. ej., de alta frecuencia, sin necesidad de un filtro de alta frecuencia, sin necesidad de un filtro de la banda de alta frecuencia de alta calidad.

Mediciones de rendimiento

Con una entrada de 1 MHz a 0 dBm (1 Vpk] a través de 50 Ω), el dobler prototipo ofrece una salida de 2 MHz a aproximadamente −3 dBm después de filtrar. El segundo armónico se suprime por más de 40 dB en relación con el avance fundamental.

Desafíos y optimización

El concepto parece simple, las implementaciones del mundo real exigen atención a varias dificultades prácticas. Las capacitaciones parasitarias y el diseño de la tabla pueden degradar la respuesta de frecuencia e introducir inestabilidad. Los planos de tierra, las trazas de señal corta y los condensadores de desacoplamiento colocados directamente en los pines de oferta de op-amp son esenciales.

Las variaciones de temperatura cambian los voltajes de avance de diodo, afectando el umbral de recortado. Usando diodos Schotky (como BAT54S) con un voltaje de avance más bajo y estable reduce la sensibilidad de la temperatura, pero su fuga inversa puede degradar la precisión a altas frecuencias.Para la estabilidad definitiva, se puede utilizar una red de bias compensadas por temperatura o sustituir diodos por un receptor de precisión integrado IC como el circuito de receptor de receptor.

Otro reto sutil es mantener la amplitud plana en el rango operativo del generador de señal. El aumento de conversión del multiplicador puede variar con amplitud de entrada debido a la naturaleza no lineal del proceso. Control automático de ganancia (AGC) basado en un circuito de retroalimentación usando un detector y un amplificador de ganancia variable puede estabilizar el nivel de salida, pero añade complejidad. En muchas configuraciones de laboratorio, una calibración de amplitud manual es suficiente,

Aplicaciones en generadores de señales y equipos de prueba

Multiplicadores de frecuencia activa construidos alrededor de op-amps encuentran un hogar natural en generadores de onda arbitraria, sintetizadores RF y generadores de función. Los chips de síntesis digital directa (DDS) a menudo producen señales de alta calidad hasta unas pocas decenas de MHz; un simple duplicador de op-amp o tripler puede ampliar el rango de frecuencia utilizable sin recurrir a una combinación de referencia PLL/VCO más cara.

En los laboratorios de calibración, los multiplicadores activos se utilizan para generar frecuencias armónicas precisas para probar la linealidad de analizadores y receptores de espectro. Debido a que la relación armónica está bloqueada a la entrada cristalina, la precisión de frecuencia de salida es extremadamente alta. Los diseños basados en la onda óptica se prefieren sobre los multiplicadores de diodo pasivos cuando la fuente de conducción tiene potencia de salida limitada, porque el circuito activo proporciona ganancia de señales más profunda que la comprensión.

Más allá del equipo de prueba, se utilizan multiplicadores activos en sistemas de comunicación para generar señales osciladoras locales, en radar para la diversidad de frecuencias, y en sensores industriales donde un portador de alta frecuencia estable debe ser derivado de un cristal de baja frecuencia.

Comparación con los circuitos de multiplicador pasivo

El diseño de frecuencias es más adecuado, pero los multiplicadores de frecuencia son más adecuados.Los multiplicadores de frecuencias son simples, no requieren alimentación, y pueden operar en frecuencias muy altas (en la gama GHz) donde se produce una salida de salida de frecuencias.

Conclusión

Multiplicadores de la herramienta de diseño operativos transforman el desafío de la multiplicación de frecuencias en una tarea de diseño analógico manejable y repetible. Al aprovechar la ganancia y configurar el generador de velocidades no lineales deliberada, los ingenieros pueden producir productos armónicos limpios y estables sin la pérdida de inserción típica de enfoques pasivos.