Introduction à la double fréquence active avec les amplificateurs d'op

Le doublement de fréquence est une technique fondamentale de l'ingénierie de la radiofréquence (RF), permettant la génération de signaux à exactement deux fois la fréquence d'une source d'entrée. Ce processus est critique dans des applications telles que la synthèse de fréquence, la modulation et la conversion de signaux, où une génération harmonique précise est nécessaire. Les circuits actifs construits autour d'amplificateurs opérationnels (op amps) offrent une approche polyvalente et performante du doublement de fréquence, offrant aux concepteurs un gain, une stabilité et la capacité d'adapter le comportement de circuit par la rétroaction et le filtrage.

Comprendre la doublage de fréquence dans les systèmes RF

Le doublement de fréquence (également appelé deuxième génération harmonique) prend un sinusoïde d'entrée à la fréquence f et produit une sortie riche en contenu à 2f. La sortie idéale serait une pure onde sinusoïdale à la fréquence doublée, mais les circuits pratiques génèrent inévitablement d'autres harmoniques et produits d'intermodulation. Le défi principal est d'isoler le deuxième harmonique tout en supprimant les termes fondamentaux et de plus haute ordre. Dans les émetteurs RF, le doublement permet de multiplier un oscillateur local de basse fréquence jusqu'à la fréquence porteuse, réduisant le bruit de phase et simplifiant la conception de l'oscillateur.

Multiplicateurs de fréquence passive versus actifs

Les doublesurs passifs de fréquence dépendent de la caractéristique non linéaire de courant-tension des diodes (p. ex., diodes scotky) ou des transistors biaisés en conduction. Ils sont simples et peuvent fonctionner à des fréquences très élevées (dans la gamme gigahertz), mais ils souffrent généralement de pertes de conversion (la puissance de sortie à 2]f] est inférieure à la puissance d'entrée à f] et nécessitent une correction d'impédance minutieuse. Les multiplicateurs actifs utilisant des amplis d'op ou des transistors discrets peuvent fournir un gain de conversion, ce qui signifie que le niveau de signal de sortie peut être plus élevé que l'entrée. Les amplis d'op offrent également l'avantage d'une impédance d'entrée élevée et d'une impédance de faible sortie, ce qui les rend faciles à interagir avec les étapes précédentes et suivantes.

Techniques de base pour le doublage de fréquence

Plusieurs topologies de circuits peuvent réaliser le doublement de fréquence avec des amplis d'op. Les méthodes les plus courantes sont basées sur la mise en quarantaine du signal d'entrée, à l'aide d'un redresseur à ondes complètes suivi d'un filtre, ou à l'aide d'un IC multiplicateur analogique.

Amplificateur de quadrillage

L'amplificateur de squarting est la méthode la plus directe : si vous appliquez un sinusoïde Vdans=A·sin(=]AV]out[[k[A2·sin2(=]k][A2·(1-cos(2)t)/2. La sortie contient un terme DC (qui peut être bloqué par un filtre à passe élevée) et une cosine à deux fois la fréquence d'entrée.

Rectificateur à grande capacité avec filtre

Un rectificateur à ondes complètes de précision construit avec des amplis op (par exemple, en utilisant deux diodes et une configuration de somme) produit une sortie dont la valeur moyenne est proportionnelle à la valeur absolue de l'entrée. Pour une entrée sinusoïdale, la série Fourier de la forme d'onde rectifiée à ondes complètes contient un composant fort à 2f (environ 42% de l'amplitude totale) avec même des harmoniques. Un filtre à passe-bande accordé à 2f peut extraire la fréquence doublée souhaitée. Cette méthode est simple et fonctionne bien pour les signaux à amplitude modérée, mais la non-linéarité du redresseur introduit des harmoniques supplémentaires et nécessite un filtrage attentif pour obtenir une faible distorsion.

ICs de multiplicateur analogique

V]]]Y/10 V, et avec V]X[]][X[FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][F]][F

Principes de conception pour les doublesurs de fréquence basés sur l'ampli d'op

Quelle que soit la technique choisie, plusieurs principes de conception doivent être respectés pour assurer une performance robuste et répétable.

Op Amp Sélection

Pour les applications à fréquence plus faible, la fréquence de doublement jusqu'à quelques mégahertz devrait être au moins 10 fois plus élevée que la fréquence de sortie cible pour assurer un gain de boucle suffisant pour la linéarité. Le faible bruit (par exemple, 1 nV/ √Hz ou moins) est important pour éviter de dégrader le bruit de phase du signal doublé. L'amp doit aussi avoir un taux de rotation élevé pour suivre la forme d'onde de signal sans distorsion. Une règle générale est SR > 2π·fmax·V]. Les étapes de sortie rail-rail sont utiles pour fonctionner à partir de tensions d'alimentation faibles.

Gestion des écarts et des pertes de courant continu

Les circuits de quadrillage produisent un décalage DC qui varie en fonction de l'amplitude d'entrée. Ce décalage doit être supprimé avant que la sortie soit utilisée, généralement par l'intermédiaire d'un condensateur de série ou d'un filtre à passe-haute. De plus, la tension de décalage d'entrée d'amp peut causer une distorsion d'ordre uniforme dans le bloc de quadrage.

Conception du filtre

La sortie de l'étape de quadrillage ne contient pas seulement la composante 2f mais aussi un terme DC, la fréquence fondamentale (f, et les harmoniques de rang supérieur (3f, 4f, etc.). Un filtre à passe-bande centré à 2f est essentiel. Le facteur Q du filtre doit être suffisamment élevé pour supprimer les harmoniques adjacentes mais pas si haut qu'il introduit des ondulations ou une instabilité.

Considérations sur les éléments non linéaires

Si l'on utilise un circuit de quadrillage à diode ou à transistor, les éléments non linéaires doivent être adaptés pour la stabilité de la température et un faible décalage. Les réseaux de transistors correspondants (comme les transistors LM3046 ou les transistors doubles discrets) offrent des caractéristiques cohérentes. Pour les multiplicateurs de diodes Schottky, la chute de tension vers l'avant et la capacité de jonction doivent être considérés pour le fonctionnement à haute fréquence. Le réseau de rétroaction de l'amp.

Exemple de conception pratique : Un doubleur de quadrillage à large bande

[L'entrée est une onde sinusoïdale de 1 MHz avec amplitude 1 Vp. L'AD633 est configuré pour le quadrage par des broches de connexion X1 et Y1 ensemble (l'entrée), avec X2 et Y2 mis à la terre. La sortie (pin W) délivre ([V]dans2)/10 V. Pour une entrée de 1 Vp, le signal carré sinusoïdal de sortie a un composant DC de 0,05 V et un composant cosinus de 2 MHz de 0,05 Vpp. Cette sortie est couplée à un facteur de conversion de 1 V, le facteur de conversion de 1 μF peut être remplacé par un facteur de conversion de 1 MHz.

Défis et stratégies d ' atténuation

Linéarité et distorsion

Tous les circuits de quadrillage sont intrinsèquement non linéaires, qui peuvent générer des produits d'intermodulation lorsque l'entrée contient plusieurs fréquences. Pour le doublement à une seule tonalité, la principale préoccupation est le rapport entre le composant 2f et le composant fondamental et harmonique non désiré. L'utilisation d'un multiplicateur analogique avec une bonne linéarité sur la plage de tension d'entrée minimise cette différence.

Bruit et phase Bruit

Le processus de squaring multiplie l'amplitude d'entrée, qui peut également multiplier le bruit. Le bruit de phase de sortie d'un doubleur de fréquence est théoriquement 6 dB pire que le bruit de phase d'entrée (puisque la phase s'écarte est doublée). Cependant, le plancher sonore de l'ampli op et tout filtrage ajouté peut introduire une dégradation supplémentaire.

Limites de la largeur de bande

Pour les fréquences supérieures à 10 MHz, les circuits transistors discrets ou les multiplicateurs RFIC (p. ex. HMC188), sont plus appropriés. Cependant, pour de nombreuses applications de bande de base et de IF (p. ex. 1–50 MHz), les amplis op modernes à grande vitesse peuvent bien fonctionner. Le concepteur devrait simuler le circuit en utilisant SPICE ou un outil similaire pour vérifier la réponse AC et le comportement transitoire avant de construire un prototype.

Stabilité à la température

Pour les doublesurs de précision, utilisez un ampli op avec un coefficient de basse température (p. ex. <1 μV/°C) et, si possible, un multiplicateur à compensation de température. Un simple contournement consiste à actionner le circuit dans un environnement contrôlé ou à fournir une garniture d'étalonnage qui peut être ajustée périodiquement.

Applications des doublesurs de fréquence basés sur l'ampli d'op

La combinaison de gain actif, de filtrage intégral et de facilité d'interfaçage rend les doublesurs d'amplificateurs op attrayants dans plusieurs contextes RF et instrumentation :

  • Les oscillateurs à cristaux de basse phase peuvent être doublés à 10 MHz pour être utilisés dans les émetteurs-récepteurs RF ou la génération d'horloges. L'utilisation d'un doubleur à l'ampop permet de préserver le bruit de basse phase si conçu avec soin.
  • Modulation et Upconversion:[ Dans les modulateurs à bande unique, le doublement d'un sous-porteur peut être combiné avec un multiplicateur analogique pour produire un support RF propre. L'impédance d'entrée élevée de l'amplificateur d'op permet une connexion directe aux mélangeurs sans chargement.
  • Équipement de test: Les générateurs de signaux et les compteurs de fréquence comprennent souvent un doubleur pour étendre leur plage de sortie. Une solution op-amp permet un gain réglable et un filtrage intégré pour produire un signal de test propre.
  • Loop à boucles de phase (PLL) Synthèse de fréquence: Les chemins de rétroaction PLL nécessitent parfois un doubleur de fréquence pour générer une référence plus élevée pour la comparaison de phase.
  • Radar Doppler et spectre de diffusion[: Dans certains systèmes radar, une fréquence fixe est doublée pour créer une forme d'onde composite pour la détection de cibles.

En tirant parti de la précision et de la programmabilité des amplis d'op modernes, les ingénieurs peuvent concevoir des doublesurs de fréquence compacts et performants, en particulier dans la région de faible gigahertz où les composants actifs discrets offrent toujours un avantage.

Conclusion

La conception de circuits actifs pour le doublement de fréquence avec des amplis op offre un chemin flexible et efficace pour la génération de signaux harmoniques dans les systèmes RF. Que ce soit avec un amplificateur de quadrillage, un redresseur à ondes complètes avec filtrage ou un multiplicateur analogique, la clé du succès réside dans la sélection soigneuse des éléments op amp et non linéaires, le biais approprié pour gérer les décalages DC, et la conception robuste de filtres pour isoler le deuxième harmonique. Bien que les multiplicateurs de diode passive demeurent la norme pour les doublesurs op amp très hautes fréquences, les doublesurs op offrent un gain supérieur, une distorsion plus faible et une intégration plus simple pour des applications allant jusqu'à plusieurs dizaines de mégahertz.

Références externes: