Введение в активное удвоение частоты с помощью Op Amps

Частотное удвоение является фундаментальной техникой в радиочастотной (RF) инженерии, позволяющей генерировать сигналы ровно в два раза чаще источника ввода. Этот процесс имеет решающее значение в таких приложениях, как синтез частоты, модуляция и преобразование сигнала, где требуется точная гармоническая генерация. Активные схемы, построенные вокруг операционных усилителей (op amps), предлагают универсальный и высокопроизводительный подход к удвоению частоты, обеспечивая дизайнерам усиление, стабильность и способность адаптировать поведение схемы через обратную связь и фильтрацию. В отличие от пассивных множителей на основе диодов, решения на основе операционных усилителей могут достичь лучшей линейности, более низкой потери конверсии и более предсказуемых уровней выхода. В этой статье представлено всестороннее изучение принципов проектирования, топологий схем и практических соображений для реализации удваивающих частот на основе операционных усилителей в радиочастотных системах, с акцентом на достижение чистого, стабильного удвоения с нескольких килогерц в низкий диапазон мегагерц.

Понимание удвоения частоты в радиочастотных системах

Частотное удвоение (также называемое вторым гармоническим поколением) принимает входной синусоид на частоте f и производит выход, богатый содержанием на 2f. Идеальным выходом была бы чистая синусоидальная волна на удвоенной частоте, но практические схемы неизбежно генерируют другие гармоники и продукты интермодуляции. Основная задача состоит в том, чтобы изолировать вторую гармонику при подавлении фундаментальных и более высоких условий. В радиочастотных передатчиках удвоение позволяет умножать низкочастотный локальный осциллятор до несущей частоты, уменьшая фазовый шум и упрощая конструкцию осциллятора. В испытательном оборудовании частотные удвоители расширяют диапазон генераторов сигналов. Оп-амперные двойники особенно привлекательны в приложениях, требующих программируемости, привода с высоким выходом или интеграции с аналоговыми стадиями кондиционирования сигнала.

Активные множители пассивных частот

Пассивные частотные двойники полагаются на нелинейную характеристику тока-напряжения диодов (например, диоды Шоттки) или транзисторы, смещенные в проводимость. Они просты и могут работать на очень высоких частотах (в диапазоне гигагерц), но они обычно страдают от потери преобразования (выходная мощность на 2 ]f и требуют тщательного согласования импеданса. Активные множители, использующие op-амперы или дискретные транзисторы, могут обеспечить коэффициент усиления преобразования, то есть уровень выходного сигнала может быть выше, чем входной. Op-амперы также предлагают преимущество высокого входного импеданса и низкого выходного импеданса, что делает их простыми для взаимодействия с предыдущими и последующими этапами. Кроме того, схемы op-ампера могут включать встроенную фильтрацию для выбора двойного компонента, уменьшая потребность в внешних фильтрах полосового пропускания. Однако продукт op-ампера ограничивает максимальную рабочую частоту; для RF-приложений до нескольких десятков мегагерц подходят высокоскоростные

Основные методы Op-Amp для удвоения частоты

Несколько топологий схем могут реализовать удвоение частоты с помощью усилителей op.Наиболее распространенные методы основаны на квадратировании входного сигнала, используя полноволновой выпрямитель с последующим фильтром или используя аналоговый множитель IC. Каждый подход имеет компромиссы с точки зрения сложности, пропускной способности и гармонической чистоты.

Сквайрный усилитель

В квадратном усилителе наиболее прямой метод: если применить синусоид VA·sin(ωt)]AkA2·sin2(]A2·AAAAAAAAA[FLT]A]AA[FLT]A]AA]AA]AA]

Полноволновой ректор с фильтром

Точный полноволновый выпрямитель, построенный с помощью усилителей op (например, с использованием двух диодов и суммирующей конфигурации), производит выход, среднее значение которого пропорционально абсолютному значению входа. Для синусоидального ввода серия Фурье полноволновой выпрямленной формы волны содержит сильный компонент при 2f (около 42% от общей амплитуды) вместе с четными гармониками. Фильтр полосового прохода, настроенный на 2f, может извлекать желаемую удвоенную частоту. Этот метод прост и хорошо работает для сигналов с умеренными амплитудами, но нелинейность выпрямителя вводит дополнительные гармоники и требует тщательной фильтрации для достижения низкого искажения. Он наиболее эффективен, когда амплитуда входа стабильна, а схеме предшествует буфер для привода выпрямителя.

Аналоговый мультипликатор IC

Четырехквадрантный аналоговый множитель IC, такой как AD633, AD734 или MPY634, может быть сконфигурирован как квадратная схема, подключая оба входа к одному и тому же сигналу. Эти устройства обеспечивают исключительную линейность и широкую полосу пропускания, производя истинный выход продукта.]·[[FLT]][FLT]]В[[FLT]]ВВВ[[FLT]]ВВ[[FLT]]ВВ[[FLT]]В

Принципы проектирования для частотных двойников на основе Op Amp

Независимо от выбранной техники квадратуры, необходимо соблюдать несколько принципов проектирования, чтобы обеспечить надежную и повторяемую производительность.

Выбор Op Amp

Для удвоения частоты до нескольких мегагерц продукт op amp с пропускной способностью усиления (GBW) должен быть по меньшей мере в 10 раз выше целевой выходной частоты, чтобы обеспечить достаточный прирост цикла для линейности. Низкий шум (например, 1 нВ/Гц или менее) важен, чтобы избежать ухудшения фазового шума удвоенного сигнала. op amp также должен иметь высокую скорость убывания, чтобы следовать сигналу без искажений - общее правило SR > 2π·]ffmaxVпик.Паузы выхода op ampm полезны при работе с низкими напряжениями питания. Рекомендуемые части для удвоения RF включают OPA699 (GBW 260 МГц, SR 600 В/мкс) для высокочастотной работы или ADA4898 (GBW 80 МГц, SR 55 В/мкс) для более низких часто

Управление скидками и DC Offset Management

Схемы скваринга по своей сути производят смещение постоянного тока, которое изменяется с амплитудой входа. Это смещение должно быть удалено до использования выхода, как правило, через последовательный конденсатор или фильтр высокого пропуска. Дополнительно, напряжение смещение с op amp может вызвать искажение равномерного порядка в блоке скваринга. Рекомендуется использовать прецизионный усилитель с низким смещением входа (например, <100 мкВ) или добавление схемы с офсетным нулем. В конструкциях на основе множителя AD633 включает внутренние штифты с регулировкой смещения, которые можно обрезать, чтобы обнулить выходной канал.

Дизайн фильтра

Выход квадратной стадии содержит не только желаемый 2f компонент, но и термин постоянного тока, фундаментальную частотуf, и гармоники более высокого порядка (3f, 4f, и т. д. Фильтр полосового прохода, центрированный на 2f, является существенным. Коэффициент Q фильтра должен быть достаточно высоким, чтобы подавить соседние гармоники, но не настолько высоким, чтобы он вводил рябь или нестабильность. Для многих приложений радиочастотного диапазона достаточно активного фильтра второго порядка или четвёртого порядка (например, Sallen-Key или многооткатная выемка) на частотах выше 1 МГц, пассивные LC-фильтры часто предпочтительнее для более низкого шума и более высокого Q. Следует соблюдать осторожность, чтобы избежать загрузки

Нелинейные элементы

Если используется диодная или транзисторная квадратная схема, то нелинейные элементы должны быть подобраны для термостабильности и низкого смещения. Сопоставленные транзисторные массивы (например, LM3046 или дискретные двойные транзисторы) обеспечивают согласованные характеристики. Для диодных множителей Шоттки необходимо учитывать переднее падение напряжения и емкость перехода для высокочастотной работы. Сеть обратной связи усилителя опоры может быть сконфигурирована с диодами в топологии прецизионного выпрямителя, но скорость перехода диодов должна быть достаточно быстрой, чтобы обрабатывать самую высокую входную частоту. Использование быстрых диодов Шоттки (например, BAT54) помогает минимизировать переключение искажений.

Пример практического дизайна: широкополосный двойник квадрата

Для иллюстрации принципов рассмотрим конструкцию, в которой используется аналоговый множитель AD633 с амплитудой 1 Vp. Вводная часть синусоидальной волны 1 МГцpp, с заземлением входной части, с X2 и Y2Vinp, выходной синусоидальный сигнал имеет компонент постоянного тока 0,05 Vp. Этот выход AC-связан через конденсатор низкого тока 0.1 мкФ]p, за которым следует фильтр высокого тока с отсечением 2,2 МГц (резисторы 1 кОм, конденсаторы 68 pF) для создания отклика полосового прохода. Ф

Проблемы и стратегии смягчения

Линейность и искажение

Все квадратурные схемы по своей сути нелинейны, что может генерировать продукты интермодуляции, когда вход содержит несколько частот. Для однотонного удвоения основной проблемой является отношение компонента 2f к нежелательной фундаментальной и третьей гармонике. Использование аналогового множителя с хорошей линейностью по диапазону входного напряжения минимизирует это. Для дублеров на основе выпрямителя коммутация диода вводит кроссоверное искажение, которое добавляет нечетные гармоники; конфигурация с толкающим тягом с двумя диодами и усилителем op может отменить искажение четного порядка, оставляя только нечетные гармоники. Постфильтрация необходима.

Шум и фазовый шум

Процесс квадратуры умножает входную амплитуду, которая также может умножать шум. Шум выходной фазы частотного удвоителя теоретически на 6 дБ хуже шума входной фазы (поскольку отклонения фазы удваиваются). Однако шумовое дно операционного усилителя и любая добавленная фильтрация могут вносить дополнительную деградацию. Использование усилителей с низким уровнем шума, тщательная компоновка ПХБ и обходные конденсаторы вблизи штифтов питания имеет решающее значение. Для максимальной спектральной чистоты низкофазный шумовой кристаллический осциллятор при f должен приводить в движение удвоитель.

Ограничения пропускной способности

Оп усилитель GBW и скорость разряда ограничивают максимальную частоту ввода. Для частот выше 10 МГц более подходят дискретные транзисторные схемы или RFIC-множители (например, HMC188). Однако для многих приложений базовой полосы и IF (например, 1-50 МГц) современные высокоскоростные операционные усилители могут хорошо работать. Разработчик должен имитировать схему с использованием SPICE или аналогичного инструмента для проверки реакции переменного тока и переходного поведения перед созданием прототипа.

Температурная стабильность

Активные компоненты (смещение усилителя, диодные передние напряжения, масштабирование множителя) дрейфуют с температурой. Для прецизионных двойников используют усилитель с низким температурным коэффициентом (например, <1 мкВ/°С) и, по возможности, температурно-компенсированный множитель. Простым обходным путем является работа схемы в контролируемой среде или обеспечение калибровочной отделки, которая может периодически регулироваться.

Применение частотных двойников на основе Op Amp

Сочетание активного усиления, интегральной фильтрации и простоты взаимодействия делает двойники операционных усилителей привлекательными в нескольких контекстах радиочастот и приборов:

  • Умножение локальных осцилляторов: Низкофазные шумовые кристаллические осцилляторы на частотах, подобных 5 МГц, могут быть удвоены до 10 МГц для использования в радиочастотных приемопередатчиках или генерации часов. Использование оп-амперного удвоителя сохраняет низкий фазовый шум, если его проектировать тщательно.
  • Модуляция и конверсия: В однополосных модуляторах удвоение поднесущей может быть объединено с аналоговым множителем для получения чистого RF-носителя.Высокий входной импеданс усилителя op позволяет напрямую подключаться к смесителям без нагрузки.
  • Тестовое оборудование: Генераторы сигналов и счетчики частот часто включают в себя удвоитель для расширения диапазона их выхода. Решение оп-ампера позволяет регулировать коэффициент усиления и встроенную фильтрацию для получения чистого испытательного сигнала.
  • Частотный синтез с запирающейся фазой (PLL): Пути обратной связи PLL иногда требуют удвоителя частоты для создания более высокой ссылки для сравнения фаз. Активные удвоители предлагают более низкий ложный выход, чем пассивные диодные множители.
  • Доплеровский радар и спектр распространения: В некоторых радиолокационных системах фиксированная частота удваивается для создания композитной формы волны для обнаружения цели. Оп-амперные дублеры могут быть интегрированы с другими блоками обработки аналоговых сигналов на той же плате.

Используя точность и программируемость современных операционных усилителей, инженеры могут проектировать частотные двойники, которые являются компактными и высокопроизводительными, особенно в области с низким гигагерцем, где дискретные активные компоненты по-прежнему предлагают преимущество.

Заключение

Проектирование активных схем для удвоения частоты с помощью усилителей op обеспечивает гибкий и эффективный путь для генерации гармонических сигналов в системах RF. Независимо от того, использует ли он квадратный усилитель, полноволновой выпрямитель с фильтрацией или аналоговый множитель, ключ к успеху заключается в тщательном выборе усилителя op и нелинейных элементов, надлежащем смещении для управления офсетами постоянного тока и надежной конструкции фильтра для изоляции второй гармоники. В то время как пассивные диодные множители остаются стандартом для очень высоких частот, оп-амперные двойники предлагают превосходный коэффициент усиления, более низкое искажение и более простую интеграцию для приложений до нескольких десятков мегагерц. Следуя принципам проектирования и стратегиям смягчения, изложенным в этой статье, инженеры RF могут создавать надежные частотные двойники, которые отвечают требовательным требованиям производительности в системах связи, испытаний и генерации сигналов. Продолжение прогресса в высокоскоростных, малошумных операционных усилителях обещает расширить охват активного удвоения частоты в диапазоне UHF.

Внешние ссылки: