прецизионный усилитель, усиление синусоидального сигнала Опции

[ivanoviv]

Добрый день
Есть высокостабильный генератор синусоидального сигнала на 10 МГц амплитудой 0,5 В. Нужна амплитуда 2 В. Посоветуйте прецизионный ОУ для моих целей.

[shkal]

Нужен не прецизионный, а быстрый. Какое питание и какая нагрузка?

[Proffessor]

Есть высокостабильный генератор синусоидального сигнала на 10 МГц амплитудой 0,5 В. Нужна амплитуда 2 В. Посоветуйте прецизионный ОУ для моих целей.

Для усиления и распределения опорного синусоидального сигнала 10,24MHz я использую в серийных изделиях сдвоенные ОУ AD8056 при питании 12V по неинвертирующей схеме. Одновременно эти усилители выполняют функцию активных разветвителей сигнала на несколько направлений (потребителей), один ОУ на одно направление. Для работы ОУ на 50-омную нагрузку последовательно с выходами ОУ включены резисторы 47 ом.

Сообщение отредактировал Proffessor - Aug 8 2012, 16:12

[SmarTrunk]

Использую дешевые и доступные быстрые LMH6643. Rail-to-Rail выход, так что можно от низкого напряжения запитать. Работают на низкоомную нагрузку.

[Proffessor]

Использую дешевые и доступные быстрые LMH6643. Rail-to-Rail выход, так что можно от низкого напряжения запитать. Работают на низкоомную нагрузку.

SmarTrunk:
А как Вы прокомментируете тот факт, что у этого LMH6643 на 10MHz резко уменьшается максимальный размах напряжения на выходе при заданном уровне нелинейных искажений, тем более в режиме повторителя и на нагрузке 2ком?

Может быть у Вас с гармониками нет проблем, но находиться в режиме резкого падения как-то некомфортно.

Сообщение отредактировал Proffessor - Aug 8 2012, 16:53

[SmarTrunk]

Значит, автору темы не годится. У меня-то пониже частота, мне подходит. А в даташит я поленился залезть...

[Proffessor]

Для примера, схема ОГ 10,24MHz на четыре выхода. Здесь выходная амплитуда равна 0,7V (0.5V rms). Поднять выходное напряжение до 1.4Vrms (или 2V амплитуды) можно соответствующим изменением номиналов резисторов обратной связи ОУ.


Сообщение отредактировал Proffessor - Aug 8 2012, 17:08

[shkal]

ada4860

[rloc]

Есть высокостабильный генератор синусоидального сигнала на 10 МГц амплитудой 0,5 В. Нужна амплитуда 2 В. Посоветуйте прецизионный ОУ для моих целей.

Если речь идет о кварцевом генераторе, то применять ОУ для раздачи - не самый лучший вариант. Любой ОУ даст коэффициент шума не лучше 10дБ за счет собственных шумов и резисторов обратной связи - это приведет к росту фазовых шумов (джиттера). Для раздачи лучше использовать логические элементы из серии "Tiny Logic" или "Little Logic", а еще лучше "unbuffered" серию микросхем фирмы National, специально разработанную для кварцевых генераторов. Уровень сигнала можно регулировать напряжением питания соответсвующих буферов, а если нужен чистый синус, то поставить на выходе ФНЧ фильтры (есть готовые).

[ivanoffer]

Proffessor, а в чем смысл установки по выходу разделительного конденсатора? Такт присутствует
всегда и на частоте 10МГц он что есть, что его нет. При случайном КЗ он не спасет или я не прав?

[SmarTrunk]

Если все-таки использовать логику для раздачи тактовых сигналов, то вот тут обсуждается, как из синуса сделать КМОП:

http://electronix.ru/forum/lofiversion/index.php/t96013.html

[Proffessor]

Proffessor, а в чем смысл установки по выходу разделительного конденсатора? Такт присутствует
всегда и на частоте 10МГц он что есть, что его нет. При случайном КЗ он не спасет или я не прав?

Это стандартное решение развязки по постоянному току, прежде чем выпускать сигналы в межблочное пространство. При случайном КЗ спасут последовательные резисторы 47 ом и внутренняя защита по току ОУ.

Если речь идет о кварцевом генераторе, то применять ОУ для раздачи - не самый лучший вариант. Любой ОУ даст коэффициент шума не лучше 10дБ за счет собственных шумов и резисторов обратной связи - это приведет к росту фазовых шумов (джиттера). Для раздачи лучше использовать логические элементы из серии "Tiny Logic" или "Little Logic", а еще лучше "unbuffered" серию микросхем фирмы National, специально разработанную для кварцевых генераторов. Уровень сигнала можно регулировать напряжением питания соответсвующих буферов, а если нужен чистый синус, то поставить на выходе ФНЧ фильтры (есть готовые).

Объясните, пожалста, как может аддитивный тепловой шум превратиться в мультипликативный фазовый в линейном тракте. Если это преобразование на нелинейном элементе (например усилитель с большими искажениями), то это будет как результат перемножения сигнала на шум. Для того, чтобы аддитивный фоновый шум полностью превращался в фазовый, надо опорный сигнал вместе с шумом пропустить через идеальный нелинейный элемент (перемножитель). Грубо говоря при опорном сигнале +10dBm/Hz (на вершине спектра) и аддитивном фоновом шуме -140dBm/Hz и идеальном перемножении получим фазовый шум -150dBm/Hz. Но на самом деле ОУ очень далек от идеального нелинейного элемента, обычно у него коэффициент гармоник - доли процента. По теме преобразования шума и пересчета почитайте в соседнем разделе RF&Microwave тему " аддитивный шум в фазовый шум".
Раздачу опорного сигнала на логике удобно делать, когда исходный варцевый генератор выдает сигнал в стандарте CMOS/TTL.

Сообщение отредактировал Proffessor - Aug 9 2012, 05:16

[rloc]

Объясните, пожалста, как может аддитивный тепловой шум превратиться в мультипликативный фазовый в линейном тракте.

1) По исходным данным на входе усилителя имеем сигнал размахом 0.5 В. Наиболее вероятно нагрузка 50 Ом. Мощность сигнала на ней составит около 4 дБм.
2) Тепловой шум - широкополосный. При прохождении через усилитель он будет иметь две составляющие: одна за счет простого добавления, вторая за счет переноса усилителем с нулевой частоты. Второй составляющей попробуем пока пренебречь и считать усилитель условно линейным на рассматриваемой частоте.
3) Спектральная плотность мощности теплового шума (СПМШ) при комнатной температуре составляет -174 дБм/Гц, которую можно разбить на две составляющие: амплитудную и фазовую, с условно равными мощностями и соответственно СПМШ каждой равной -177 дБм/Гц.
4) Теоретически генератор при комнатной температуре и мощности 4 дБм может иметь на выходе относительно несущей амплитудный и фазовый шум при больших отстройках на уровне -181 дБн/Гц
5) Возьмем для примера усилитель AD8056. Он имеет при больших отстройках плотность шума 6 нВ/sqrt(Гц), абсолютное значение СПМШ на нагрузке 50 Ом составит -151 дБм/Гц или иначе можно сказать коэффициент шума равный 23 дБ (токовыми шумами в 1 нА/sqrt(Гц) можно принебречь). При добавлении резисторов обратной связи шумы только увеличатся, так например в схеме с неинвертирующим включением и делителем в обратной связи 820 Ом и 270 Ом (820||270 = 203) получим добавочные шумы на уровне 1.8 нВ/sqrt(Гц), что в данном случае значительно меньше собственных шумов усилителя и можно пока пренебречь.
6) Характер шумов на выходе AD8056 нам неизвестен, из практики можно положиться на преимущественное преобладание фазовой составляющей. Таким образом добавочный фазовый шум усилителя составит -155 дБн/Гц для сигнала 4 дБм. Для сравнения ФШ OCXO фирмы Maxic Xtal при отстройке более чем на 10 кГц составляет <-165 дБн/Гц.
7) Как будут трансформироваться фликкерные шумы усилителя в фазовые сказать сложно, нужно как минимум знать уровень интермодуляционных составляющих при выходной амплитуде 2 В. По AD8056 нашел только уровень гармонических составляющих.
8) Логические элементы можно представить в виде усилитель + ограничитель, не вижу препятствий мешающих подать на вход синус.

[shkal]

rlock, скажите, а КМОП инверторы шумят меньше. чем ОУ?

[rloc]

По моему личному опыту, шумы были на уровне -175 дБн/Гц при отстройках > 10 кГц (в какой-то из тем приводил результаты измерений). Фирма Magiс Xtal в своих генераторах MXO37/14 ставит по выходу те самые "unbuffered" элементы National (если интересно, могу позже уточнить какие), а у них шумы, на мой взгляд, одни из самых низких среди российских производителей.

[shkal]

есть довольно много ОУ с уровнем шума 1-1.5 нВ/sqrt (Гц) ADA4899, например. С биполярным входом.
При этом практически нет КМОП ОУ с уровнем шума ниже 5 нВ/sqrt (Гц), вот что странно.

[rloc]

есть довольно много ОУ с уровнем шума 1-1.5 нВ/sqrt (Гц) ADA4899, например

У этого усилителя токовые шумы будут преобладать, а они не маленькие. И не надо забывать, что есть резисторы обратной связи, которые должны быть по-возможности как можно меньше - это лишний ток потребления. Еще один минус - при больших выходных токах и амплитудах резко растут нелинейные характеристики усилителя, а это может сказаться на росте фликкерных шумов, в интегральном значении в узкой полосе они могут оказаться больше, чем белые шумы в широкой полосе.

При этом практически нет КМОП ОУ с уровнем шума ниже 5 нВ/sqrt (Гц), вот что странно.

Сколько транзисторов внутри одного логического элемента, и сколько у усилителя? А сколько транзисторов в одном "unbuffered" элементе?
Есть еще один примечательный момент - при ограничении уровня сигнала (насыщении) активного элемента возможен как рост, так и падение уровня шума. Для тех элементов, что я приводил имеет место быть второй эффект.

Маленькое дополнение: ECL/PECL/lvPECL элементы очень сильно шумят, без надобности использовать не рекомендую. Не знаю совпадение или нет, но транзисторы в этой логике работают без насыщения. Спросите, а чем же тогда на больших частотах раздавать? Можно усилить радиочастотным Si или SiGe усилителем и поделить трансформаторным делителем мощности.

[shkal]

Сколько транзисторов внутри одного логического элемента, и сколько у усилителя? А сколько транзисторов в одном "unbuffered" элементе?

Так это неважно совершенно, играют роль только шумы входного каскада.

Еще один минус - при больших выходных токах и амплитудах резко растут нелинейные характеристики усилителя, а это может сказаться на росте фликкерных шумов

У упомянутого ADA4899 -80db at 10MHz 2V p-p

[rloc]

Так это неважно совершенно, играют роль только шумы входного каскада.

Я бы сказал вклад первого каскада наибольший, впрочем есть известная формула и каждый может посчитать. В операционных усилителях используются источники опорного напряжения из которых потом получаются источники тока, шумят они сильно и как правило плохо фильтруются. Какое влияние они оказывают на дальнейшие каскады - мне не известно, но в LDO - это основная проблема.

У упомянутого ADA4899 -80db at 10MHz 2V p-p

Вижу HD2 и HD3, где IMD или IP3? Да и на пальцах посчитать сложно будет, программы есть соответствующие. Мне бывает проще экспериментом проверить.

Вопрос на засыпку: кто-нибудь делает кварцевые генераторы на операционных усилителях? Я имею ввиду коммерческое исполнение от известного производителя, а не аппликейшен ноут или учебник.

[VCO]

Если выход генератора 50-Омный, а приёмник сигнала - высокоимпедансный, то можно усилить напряжение трансформатором 1:4.

[shkal]

впрочем есть известная формула и каждый может посчитать

Посчитать 1) Нельзя, для это вам нужна внутренняя структура и уровень шумов каждого каскада ОУ.
2) Никому не надо - даны же шумовые хар-ки в даташите, приведённые ко входу.

В операционных усилителях используются источники опорного напряжения из которых потом получаются источники тока, шумят они сильно и как правило плохо фильтруются

Это, извините , "Ф перлы"

Я не к тому, чтобы опровергнуть вашу точку зрения, я просто пытаюсь понять - почему логические элементы дают меньший уровень шума на выходе при более шумящем входном каскаде?

[Proffessor]

rloc:
Все-таки надо прояснить вопрос влияния аддитивного шума на фазовый. По фундаментальным понятиям такое влияние может быть только на нелинейном элементе, тогда грубо говоря происходит модуляция сигнала шумом. А вы берете шум на выходе усилителя, затем берете половину от мощности этого шума, считая, что это фазовая компонента и затем арифметически складываете мощность этой фазовой составляющей с фазовым шумом самого сигнала (в децибелах) и считаете это приращением фазового шума сигнала. По-моему, так делать нельзя.
Конечно, и фликкер-шум как-то преобразуется в фазовый шум сигнала за счет нелинейности усилителя, но как посчитать это влияние через IP2-IP3 усилителя?
Логические элементы не так уж идеальны, там свои проблемы. У них "шумит" по задержке порог перехода от "0" к "1" и накладывает свой джиттер, особенно, если подавать синус непосредственно на логику. Таким же образом "шумят" пороги срабатывания компараторов, хотя и в меньшей степени.

Сообщение отредактировал Proffessor - Aug 9 2012, 14:43

[ledum]

Я не к тому, чтобы опровергнуть вашу точку зрения, я просто пытаюсь понять - почему логические элементы дают меньший уровень шума на выходе при более шумящем входном каскаде?

Это невозможно понять, к этому надо привыкнуть. Если же серьезно - результат не очень ясен. Это после неоднократных измерений фазовых шумов на 5052 и на хороших внешних креативовских карточках. LVC малогейтовая логика других производителей шумит относительно сильно, но меньше, чем приемники с линии ЭСЛ и HC и AC логика. Наименее шумят небуферизированные тайнилоджик от фаирчалда - о НатСеми ничего не скажу - в руках не держал. НИСТ тоже не рекомендует использовать ничего, кроме голых биполяров, причем с общей базой - http://electronix.ru/forum/index.php?showt...t&p=1080961 в архиве во втором абзаце есть их публикации по клоковым разветвителям - там и на 10МГц, и на 100МГц - разные статьи. И это используют ведущие проиводители сверхмалошумящих опор - смотрим ветку мишек и о темексах в радиочастотке. Никаких дифусилителей, а тем более оперов. Причем идеология тайни лоджик идет в разрез с тем, что мы исследовали в универе на дипломе в прошлом тысячелетии. Полевики с изолированным затвором обычно одни из самых шумящих - из-за проблем с регулярностью решетки и краевых эффектов, влияющих на зонную структуру - появление глубоких уровней-ловушек, которые успешно участвуют в рождении фликкер шумов. Но первым обратил на малошумность Фаирчаилдов Dr.Drew, приведя картинку E5052 ФШ генератора на 100МГц на тайни. Здесь у нас возникли разночтения. Повторение по шумам у нас удалось только на небуферизированном фаирчаилдовском инверторе. И только тайни лоджик. Ну и прозвучала фраза - Как они добились такого и специально ли - фиг его знает.
То Proffessor - поверьте, компараторы шумят значительно сильнее логики и джиттер у них больше. Положительная обратная связь никогда хорошо на шумы не оказывала влияния. Пороги здесь не при чем. И даже наоборот - происходят срабатывания раньше или позже в зависимости от зашумливания и сигнала, и опоры. Еще раз - КМОП буфера и инверторы - ненасыщенные широкополосные усилители с относительно малым усилением - в разных источниках - от 3-5 до 10-11, в зависимости от технологии и частоты. На них прикольные вещи можно собирать. Например, сверхпростой АДМ-кодек, где вход 3-4-х битного регистра работает еще и как компаратор.

Сообщение отредактировал ledum - Aug 9 2012, 16:13

[ivanoviv]

Доброго дня
Ого, сколько откликнувшихся. Благодарю всех за ответы.
По теме:
Я открыл эту тему, т. к. вот в этой тыц мне не дали ответ на мой вопрос по поводу скорости нарастания входного напряжения.
Я хочу поставить инвертор NC7SZU04 для преобразования синуса в LVCMOS, но там требования к Input Edge Rate: больше 125 мВ/нс (правда, в этом даташите никаких требований не нашёл, но
в логике 74ac04 точно есть).
А синус амплитудой 0,5 В и частотой 10 МГц даст ER=0,03 В/нс, если исходить из формулы: ER=2*PI*f*A.
Т. е. этот сигнал нужно предварительно усилить в 4 раза по напряжению, как я понял.

Если выход генератора 50-Омный, а приёмник сигнала - высокоимпедансный, то можно усилить напряжение трансформатором 1:4.

Да, выход 50-омный. А какой бы вы посоветовали трансформатор.

Сообщение отредактировал ivanoviv - Aug 10 2012, 07:10

[VCO]

Да, выход 50-омный. А какой бы вы посоветовали трансформатор.

Например, любой 50-Омный ADT4 от Mini-Circuits.