Les lignes de retard actives sont des composants essentiels du traitement des signaux, permettant des ajustements précis du temps pour une large gamme d'applications. Alors que les lignes de retard passives, câblées coaxiales, réseaux LC ou appareils acoustiques, offrent des retards fixes simples, ils manquent de flexibilité et peuvent introduire une perte de signal importante. Les lignes de retard actives, construites autour d'amplificateurs opérationnels (amplificateurs op), offrent une alternative polyvalente et réglable. En exploitant le gain, la bande passante et la capacité de conduite des amplificateurs op modernes, les ingénieurs peuvent mettre en place des circuits de retard stables et à faible distorsion qui sont indispensables pour les tâches de synchronisation dans les systèmes de communications, de radar, d'instrumentation et de numérique.

Comprendre les lignes de retard actives

Une ligne de retard est tout réseau qui déplace l'axe temporel d'un signal d'entrée par une quantité contrôlée sans modifier, idéalement, sa surface d'onde. Sous forme analogique, l'approche la plus courante est d'approximativement un délai pur en utilisant une fonction de transfert linéaire de la forme H(s) = e–sT. Comme un exponentiel exact est impossible avec des composants en bloc, les concepteurs de circuits ont recours à des approximations telles que les filtres Bessel, les filtres all-pass ou les stades d'intégrateur en cascade.

Les lignes de retard actives offrent plusieurs avantages par rapport aux implémentations passives :

  • Tunabilité:[ Le retard peut être modifié en changeant les valeurs de résistance ou de condensateur, souvent avec des potentiomètres, des potentiomètres numériques ou des tableaux de condensateurs commutés.
  • Le contrôle de la pression:[ Les amplis op peuvent fournir un gain d'unité ou même une amplification pour compenser les pertes de signal aux étapes précédentes.
  • Impédance d'entrée élevée / impédance de sortie faible: Les tampons actifs empêchent les effets de chargement, ce qui facilite la cascade de plusieurs sections de retard.
  • Prévient les retards coaxiaux ou de transmission encombrants pour les signaux à basse fréquence.

Principes de conception utilisant les amplificateurs d'op

Le noyau d'une ligne de retard active basée sur l'ampli est un intégrateur ou un filtre tout passage. Le plus simple retard actif utilise un intégrateur inversé suivi d'un tampon non inversé. La sortie de l'intégrateur est une rampe qui retarde l'entrée par un décalage de phase de 90°, mais pour un retard de domaine de temps on peut utiliser la relation entre la constante de temps et le retard pour une entrée sinusoïdale. Pour un filtre à passe bas à un seul pôle, le retard de groupe est approximativement τ = RC à basse fréquence, mais il n'est pas constant avec la fréquence.

Une approche plus rigoureuse modélise le délai désiré en utilisant l'approximation Padé : e–sT -(1 – sT/2 + s2T2/12 – ...) / (1 + sT/2 + s2T2/12 + ...). Le filtre de passage tout-terrain de premier ordre (T(s) = (1 – sRC) / (1 + sRC)) donne un délai constant de groupe de 2RC. Cascading N ces étapes multiplient le délai par N tout en maintenant le retard du groupe à plat sur une fréquence.

Configuration de base du circuit

Une ligne de retard active classique utilise un filtre tout passage de premier ordre construit autour d'un seul ampli op. La fonction de transfert pour le circuit avec Ri = Rf = R est:

Vout / Vin] = (1 – sRC) / (1 + sRC)

Le retard du groupe est constant τ = 2RC pour toutes les fréquences. Cette configuration nécessite une impédance d'entrée équilibrée et un condensateur connecté de l'entrée non inversée au sol. Parce que la réponse de magnitude est unité à toutes les fréquences, elle n'entraîne aucune distorsion d'amplitude. Pour des retards plus longs, plusieurs étapes de tous les passages sont en cascade. Par exemple, trois filtres de premier ordre en cascade fournissent un retard total de 6RC avec une phase presque linéaire sur une large bande passante.

Une autre solution est l'approche de l'intégrateur inversé. Un intégrateur d'ampli op (avec condensateur en retour) suivi d'un déclencheur Schmitt ou d'un comparateur peut produire un retard lorsqu'il est utilisé dans le cadre d'un multivibrateur monostable. Cependant, cette méthode est mieux adaptée pour la génération de retard et de chronométrage d'impulsions que pour la préservation analogique de forme d'onde.

Sélection et calibrage des composantes

Le succès d'une ligne de retard active dépend du choix des bons composants op amp et passif:

  • Amplifieur opérationnel: Sélectionnez un appareil avec un produit de gain-bande passante (GBW) au moins 10 à 20 fois la fréquence la plus élevée d'intérêt. Pour une ligne de retard traitant des signaux 10 MHz, un ampli op avec GBW > 100 MHz est conseillé. La stabilité de gain d'unité est essentielle; de nombreux ampli op large sont conçus pour les gains ≥ 2, alors vérifiez la feuille de données. La tension offset d'entrée faible, le courant de faible biais et le bruit faible (surtout pour les petits signaux) sont des critères supplémentaires.
  • Résistances et condensateurs: Utiliser des résistances de précision (0,1% de tolérance, coefficient de basse température) et des condensateurs céramiques C0G/NP0 pour un délai stable. Les changements de température déplacent directement le produit RC et donc le délai. Pour des retards ajustables, utiliser un potentiomètre en série avec une résistance fixe pour régler une plage.
  • Découplage de l'alimentation: Placez des condensateurs céramiques 0,1 μF près de chaque goupille et un électrolytique 10 μF sur la carte. Le bruit sur l'alimentation module les points de biais internes de l'ampli op, introduisant des jitter.
  • Intégrité de la signature:[ Gardez les traces courtes, utilisez un plan de terre et des sections analogiques et numériques séparées. Pour les cascades multi-étapes, tamponnez chaque sortie de phase avec un pilote à faible impossibilité pour éviter la charge entre les étapes.

Conception pour un retard réglable

Il faut souvent attendre un délai réglable pour compenser les variations de temps au niveau du système.

  • Résistance variable:[ Remplacer R dans le filtre de passage par un potentiomètre. Le retard change linéairement avec la résistance, mais il faut veiller à maintenir la capacité de déplacement faible.
  • Les tableaux de condensateurs commutés:[ Utilisez plusieurs condensateurs fixes commutés en/hors avec des commutateurs analogiques (p. ex. CD4066) pour sélectionner des étapes de retard discrètes.
  • Ascendant-direction DAC:[ Un DAC multiplicateur peut modifier la résistance de rétroaction sous contrôle numérique, offrant une résolution fine.
  • potentiomètres (DCPs) à commande numérique : Les ICs comme l'AD5241 fournissent une interface numérique non volatile pour régler la résistance de 0 à 100 k. En 256 étapes. Combiner avec un condensateur fixe pour un délai programmable.

Pour une large gamme de retards, en cascade plusieurs étapes où le retard total est la somme de chaque étape. Si chaque étape fournit 0–50 ns, quatre étapes donnent 0–200 ns en 200-ps (en utilisant des DCP 8 bits).

Applications dans la synchronisation des signaux

Les lignes de retard actives résolvent le problème fondamental de l'alignement des signaux qui ont pris différentes longueurs de chemin ou qui nécessitent un réglage relatif du timing. Les sections suivantes couvrent les tâches clés de synchronisation.

Récupération d'horloge et alignement des données

Dans les circuits numériques à grande vitesse, le décalage entre les lignes de données et d'horloge peut causer des violations de configuration/d'attente. Une ligne de retard active insérée dans le chemin de l'horloge peut ajuster le bord de l'horloge au centre de l'œil de données. Parce que les lignes de retard analogiques conservent la forme de la forme d'onde mieux que les chaînes d'onduleurs numériques, elles sont préférées dans les conceptions à haute fréquence (>100 MHz).

Par exemple, dans une interface SDRAM, une ligne de retard programmable (p. ex., utilisant l'amplificateur OPA2356 double op) peut générer des étapes de retard de 50 ps pour aligner le strobe DQS sur les données. Cette technique est également utilisée dans les tampons d'entrée FPGA pour des bus parallèles.

Direction de la faisceaux d'antennes d'antennes d'antennes

Bien que les décalages de phase soient courants pour les signaux à bande étroite, les signaux à large bande doivent être retardés de façon précise. Les lignes de retard actives fournissent des TTD en insérant différents retards dans le chemin de réception ou de transmission de chaque élément. Un tableau à 16 éléments peut utiliser une banque de lignes de retard analogiques avec commande numérique pour la formation du faisceau. Le retard par élément est défini comme τ]n = (n · d · sin Φ) / c, où d est l'espacement des éléments. L'utilisation des filtres de tout-pass à base d'amp, des retards pouvant atteindre plusieurs nanosecondes peuvent être réalisés avec une résolution de sous-picoseconde.

Synchronisation vidéo

Les signaux vidéo analogiques (p. ex., vidéo composite ou VGA) nécessitent un alignement horizontal et vertical de la synchronisation. Les lignes de retard actives peuvent compenser les retards de propagation dans les modules de traitement tels que les scalpers, les mélangeurs ou les paires de codeurs/décodeurs. Un retard de synchronisation typique de quelques microsecondes est obtenu avec un filtre tout-pass utilisant un grand condensateur (p. ex. 1 μF) et une résistance dans la gamme megohm. Comme la bande passante vidéo est d'environ 5 MHz, un ampli op à faible coût comme le LMH6643 suffit. Le retard peut être ajusté à la volée pour correspondre aux exigences de synchronisation de l'affichage.

Compression par impulsion radar

Dans les systèmes radar, des lignes de retard actives sont utilisées dans la chaîne de réception pour aligner l'impulsion transmise à l'écho attendu. Des étapes de retard discrètes aident à mettre en œuvre des filtres assortis pour la compression d'impulsion. La bande passante de retard doit être plusieurs fois la bande passante d'impulsion pour éviter la dispersion.

Considérations et limites en matière de rendement

Aucun délai n'est parfait. Les concepteurs doivent peser les compromis suivants:

  • Bandwidth vs. delay: Le délai maximum réalisable est inversement lié à la bande passante. Pour un filtre de premier ordre, le délai de groupe est 2RC, mais l'amplificateur d'op limite la fréquence à laquelle l'approximation se trouve. En règle générale, le délai ne doit pas dépasser 1/10 de l'amplificateur d'oplificateur d'opl. Pour un amplificateur d'opl. de 100 MHz, le délai maximum pratique avec une bonne fidélité est d'environ 1 ns par étape.
  • Bruit: Les résistances génèrent du bruit thermique; les ampères d'op ajoutent de la tension et du bruit de courant. Les étages de cascade multiplient le bruit. Pour les conceptions à faible bruit, utiliser des résistances de faible valeur (p. ex. 1 k , ou moins) et des ampères d'op à faible bruit (p. ex. OPA1611, 1.1 nV/ √Hz).
  • Jitter: Le bruit d'amplitude sur le bord du signal se traduit par un jeu de temps. Le jeu est proportionnel à l'amplitude du bruit divisée par le taux de chute du bord. L'utilisation d'amplis op à taux élevé et d'alimentations propres réduit le jeu.
  • Consommation d'énergie: Chaque étage d'ampli op ajoute un courant quiescent. Pour les appareils alimentés par batterie, utiliser des amplis op de faible puissance (p. ex. OPA344 avec 250 μA) et accepter une bande passante réduite.
  • Stabilisation de température: Le produit RC dérive avec la température (résistance TCR + condensateur TC). Utilisez des composants de précision avec des TC faibles (par exemple, résistances ±25 ppm/°C, condensateurs C0G avec ±30 ppm/°C).

Techniques avancées

Filtres tout-passe Cascaded

Pour les retards plus longs avec retard de groupe plat, la réaction de phase reste linéaire jusqu'à des fréquences où les pôles commencent à interagir. Une cascade de trois étapes avec R=1 k., C=100 p.F. donne un retard total = 3 × 2×1 k×100 p = 0,6 μs (600 ns). La bande passante s'étend jusqu'à environ 1/(2πRC) γ 1,6 MHz par étape, de sorte que la cascade aura une bande passante utilisable de quelques centaines de kHz. Pour une bande passante plus élevée, réduire les valeurs C et R et inclure plus de stades.

Boucles à retardement (DLLs)

Une DLL ajuste automatiquement le délai d'une ligne de retard active variable pour correspondre à un signal de synchronisation de référence. La sortie de la ligne de retard est comparée à une référence (par exemple, une horloge stable) via un détecteur de phase, et la tension d'erreur règle le délai via un varacteur ou un potentiomètre numérique. Cette technique compense activement les variations de température et d'alimentation.

Lignes de retard de capacité commutées

Pour les signaux numériques, une ligne de retard analogique de condensateur commuté (comme un dispositif de brigade-seau) peut échantillonner et transférer des charges entre condensateurs. Bien que ne reposant pas strictement sur un ampère op, de nombreux filtres de condensateur commuté modernes intègrent des ampères op et peuvent être configurés comme éléments de retard.

Conclusion

Les lignes de retard actives construites avec des amplificateurs opérationnels offrent une solution pratique, réglable et haute performance pour les tâches de synchronisation des signaux. En sélectionnant les composants op amp appropriés, la précision passive et en choisissant entre les topologies all-pass ou intégrator, les ingénieurs peuvent réaliser des délais allant de nanosecondes à microsecondes avec une excellente linéarité et un faible jitter. Les applications en alignement d'horloge, en arrachage progressif, en synchronisation vidéo et en compression radar démontrent la polyvalence de cette technique.

Références et autres lectures:[ Pour les équations de conception pratiques, consulter Texas Instruments -Note d'application --Filtres tout-pass (SLOA001)[.Les critères de sélection des amplificateurs opérationnels sont couverts par Analog Devices -Filtres techniques sur les exigences de bande passante op amp.