Introduzione

Gli amplificatori operativi (op-amps) sono la base di precisione del design di circuito analogico, che si estende ben oltre la semplice amplificazione. Una sofisticata applicazione è il loro uso in moltiplicatori di frequenza attiva per i generatori di segnale. Questi circuiti sono indispensabili nelle comunicazioni, apparecchiature di prova di banco-top e catene di riferimento a ciclo chiuso (PLL), dove generano toni stabili e ad alta frequenza da un'oscillazione di master di bassa frequenza è un comune.

Principi di frequenza multiplicazione utilizzando amplificatori operativi

Un puro input sinusoidale della frequenza f]] contiene energia solo a quella singola frequenza. Per produrre un nuovo segnale a un multiplo 2f], ]]3f, o più in alto, l'estratto d'onda originale deve essere danneggiato.

Perché la non linearità è essenziale

I circuiti lineari conservano la forma di un segnale di ingresso per piccole ampiezza; ogni alterazione del contenuto di frequenza richiede una partenza dalla linearità. L'alto guadagno di omogeneo dell'op-amp consente di creare funzioni di trasferimento non lineari affilate e prevedibili.

L'Op-Amp come elemento non lineare controllato

Le configurazioni op-amp a risposta aperta o leggermente alimentate agiscono come comparatori, il passaggio tra le rotaie di alimentazione produce un'onda quadrata ricca di armoniche dispari, che a volte viene utilizzata per il tripling dopo il filtraggio. Tuttavia, un approccio più elegante impiega retifier di precisione e onde che producono un'armonica desiderata mentre soppresso gli altri.

Topologie comuni di multiplier attive

Diversi circuiti basati su op-amp producono in modo affidabile moltiplicazione di frequenza. La scelta della topologia dipende dal fattore di moltiplicazione richiesto, il livello accettabile di armoniche spurie e la gamma di frequenza di funzionamento.

Doppia doppia di precisione a tutta velocità

Il doppio amplificatore di corrente alternata è composto da un doppio amplificatore di corrente alternata, con un forte componente isolante secondario, più un offset DC.

Generatore armonico ammortizzante ammortizzante

Quando un'onda sine guida un op-amp configurato come un amplificatore invertente con due diodi anti-parallel nel percorso di feedback, la clip di uscita si ferma dolcemente una volta che il segnale supera la tensione diodi avanti (≈0.6 V per il silicio).

Tripler Sine di fase-shift

Un metodo più sofisticato per il triplo di frequenza utilizza una rete che crea tre onde sine separate da 120°, poi li riassume dopo aver passato ciascuno attraverso un parapetto non lineare. I filtri all-pass Op-amp possono fornire i cambiamenti di fase necessari, e clipping diodi o una coppia transistor può generare la non linearità cubita che enfatizza la terza armonica.

Selezione componenti e requisiti Op-Amp

Le prestazioni di qualsiasi moltiplicatore di frequenza attiva di cerniere sulla scelta di un op-amp le cui caratteristiche dinamiche corrispondono o superano la frequenza più alta di interesse. I parametri chiave includono il prodotto di larghezza di guadagno (GBW), la velocità di slitta, la distorsione armonica totale (THD), il rumore di tensione di ingresso e la corrente di bias di ingresso.

  • Prodotto a banda larga:[ Per un doppio funzionamento a 10 MHz, l'op-amp dovrebbe avere un GBW comodamente sopra i 20 MHz, spesso nella gamma 100 MHz per garantire un buon guadagno a ciclo alle armoniche e per mantenere la rettifica di precisione.
  • [LT] ] tasso di lavoro: Anche quando l'uscita è un'onda di sine, bordi transitori durante la clipping o la rettifica richiedono una velocità di slittamento veloce. Una regola di pollice è quella di selezionare un amplificatore con una velocità di slittamento almeno 2π · f max]]]
  • Distorsione armonica totale:[] Il moltiplicatore stesso aggiunge distorsione per disegno, ma la propria non linearità dell'op-amp può introdurre spurs indesiderati. Gli amplificatori a bassa THD sotto il livello di clipping assicurano che l'armonica generata sia principalmente dalla rete non lineare intenzionale.
  • rumore di tensione di ingresso: Il rumore può tradurre in rumore di fase sull'uscita moltiplicata, specialmente nelle applicazioni di filtraggio a banda stretta. Si raccomanda un op-amp a bassa rumorosità (ad esempio, con densità di rumore di tensione < 5 nV/Hz√) per le fasi di moltiplicatore utilizzate nei generatori di segnale di precisione.
  • Tensione di offset di ingresso e corrente di polarizzazione: la tensione di offset di assunzione di assunzione di assunzione di corrente continua può causare errori di CC nella fase di rettifica, portando all'asimmetria e all'aumento della mangimi di base. Le variazioni di corrente di bias con la temperatura possono anche degradare le prestazioni.

Per le frequenze superiori a pochi MHz, i tradizionali op-amp a bipolare come il NE5534 o OPA2134 possono lottare; gli amplificatori moderni a corrente continua (CFA) e i dispositivi a tensione-feedback con alti tassi di slitta, come OPA847, THS3001, o LM6172, diventano necessari.

Progettazione di un doppio Frequenza: Step-by-Step

Un esempio pratico di progettazione illustra come la teoria si traduce in hardware. L'obiettivo è quello di costruire un doppiore di frequenza di precisione che accetta un 1 MHz, 1 Vpk onde sinne e fornisce un output pulito 2 MHz con una variazione di ampiezza minima.

Descrizione del circuito e funzionamento

L'estremità anteriore è un rettificatore di precisione a onde complete migliorato utilizzando un OPA2830 doppio di tensione-feedback op-amp (GBW 250 MHz, tasso di slitta 400 V / μs). La prima fase esegue la rettifica a mezza onda; la seconda somma l'ingresso originale con il segnale a mezza onda rettificato per produrre una forma d'onda rettificata piena.

Filtraggio dell'uscita

Il filtro anti-rumore per la perdita di 2 MHz, un termine DC e le armoniche residue a 4 MHz, 6 MHz, ecc. Un filtro ad alta banda Q sintonizzato a 2 MHz estrae il segnale desiderato.

Misurazioni di performance

Con un ingresso da 1 MHz a 0 dBm (1 Vpk] attraverso 50 Ω), il prototipo raddoppia un output da 2 MHz a circa −3 dBm dopo il filtraggio. La seconda armonica viene soppressa da oltre 40 dB rispetto alla feedthrough fondamentale.

Sfide e ottimizzazione

Le capacità parassitarie e il layout della scheda possono degradare la risposta della frequenza e introdurre l'instabilità. I piani terrestri, le tracce del segnale corto e i condensatori di decoupling posizionati direttamente ai pin di alimentazione op-amp sono essenziali. Anche con un op-amp ad alta velocità, i bordi di commutazione del retifier possono generare ringing; un piccolo resistore di serie 400

Le variazioni di temperatura cambiano le tensioni in avanti, che influenzano la soglia di clipping. Utilizzando i diodi Schottky (come BAT54S) con un regolatore di temperatura in avanti più basso e stabile riduce la sensibilità della temperatura, ma la loro perdita inversa può degradare la precisione alle alte frequenze. Per la stabilità finale, si può impiegare una rete di polarizzazione integrata o sostituire i diodi discreti con un retifier di precisione integrato come AD8307 Designer, anche se si sposta via

Un’altra sfida sottile è mantenere l’ampiezza della planarità attraverso la gamma di funzionamento del generatore di segnale. Il guadagno di conversione del moltiplicatore può variare con ampiezza di ingresso a causa della natura non lineare del processo. Controllo automatico del guadagno (AGC) basato su un loop di feedback utilizzando un rilevatore e un amplificatore a guadagno variabile può stabilizzare il livello di uscita, ma aggiunge la complessità.

Applicazioni in Generatori di segnale e attrezzature di prova

I moltiplicatori di frequenza attivi costruiti intorno agli op-amps trovano una casa naturale in generatori arbitrari di forma d'onda, sintetizzatori RF e generatori di funzione. I chip di sintesi digitale diretta (DDS) producono spesso segnali di alta qualità fino a poche decine di MHz; un semplice doppiore op-amp o triplore può estendere la gamma di frequenza utilizzabile senza ricorrere ad una combinazione di PLL/VCO più costosa.

In laboratori di calibrazione, i moltiplicatori attivi vengono utilizzati per generare precise frequenze armoniche per testare la linearità degli analizzatori di spettro e dei ricevitori. Poiché il rapporto armonico è bloccato all'ingresso cristallizzato, l'accuratezza della frequenza di uscita è estremamente elevata.

Oltre alle apparecchiature di prova, i moltiplicatori attivi vengono utilizzati nei sistemi di comunicazione per la generazione di segnali oscillatori locali, nel radar per la diversità di frequenza, e nei sensori industriali dove un vettore ad alta frequenza stabile deve essere derivato da un cristallo a bassa frequenza.

Confronto con i circuiti multiplier passivi

Mentre i moltiplicatori attivi op-amp offrono vantaggi distinti, è importante capire quando i moltiplicatori passivi (utilizzando diodi, trasformatori, o diodi a recuperare passo) potrebbero essere più appropriati. I moltiplicatori di odo passivo sono semplici, non richiedono alimentazione e possono operare a frequenze molto elevate (nella gamma GHz) dove il guadagno di opamp si abbassa.

Conclusioni

Gli amplificatori operativi trasformano la sfida della moltiplicazione di frequenze in un'operazione di progettazione analogica gestibile e ripetibile. I tecnici possono creare uscite armoniche pulite e stabili senza la perdita di inserimento tipica degli approcci passivi. Il doppio del rettificatore a onda completa si distingue come un punto di ingresso pratico e ad alte prestazioni, mentre il soft-clipping e il phase-shift