Modul riadenia amplitúdy (zosilňovač a atenuátor)

Programovo je možné riadiť amplitúdu výstupného signálu viacmenej od nuly do plného rozsahu oboch D/A prevodníkov. V prvej časti seriálu sme ale vysvetlili, prečo je takéto riadenie amplitúdy pre generátor s vyšším dynamickým rozsahom výstupného signálu nevhodné. Na dosiahnutie najlepších hodnôt SFDR je preto nutné použiť externé riadenie amplitúdy.

Vzhľadom na parametre DDS modulu bola nominálna výstupná úroveň zvolená 0 dBm, čo ale platí len pri práci do vysokoohmovej záťaže a s modifikovaným rekonštrukčným filtrom. Pri zaťažení modulu nominálnou impedanciou 50 Ohmov úroveň klesne na -6 dBm.

Modul riadenia amplitúdy som sa snažil navrhnúť maximálne univerzálne aby ho bolo možné použiť aj v iných zariadeniach. Skladá z troch blokov - vstupný predzosilňovač, výkonový zosilňovač a skokový atenuátor.

Profesionálne signálové generátory obyčajne umožňujú úplné odpojenie výstupu generátora od záťaže. Táto funkcia je v riadiacej časti generátora pripravená, ale výstupné relé nie je z priestorových dôvodov na doske atenuátora zapracované. V prípade, že užívateľ vyžaduje túto funkciu je potrebné postaviť ešte veľmi jednoduchý modul odpojovača.

Technické parametre modulu zosilňovača a atenuátora:

Samotný modul zosilňovača a atenuátora:

Nominálna impedancia: 50 Ohm

Nominálna vstupná úroveň: 0 dBm

Maximálny výstupný výkon zosilňovača: +15 dBm

Šírka pásma výkonového zosilňovača (-3 dB): 300 MHz

Útlmové články: 5, 10, 20, 30 dB

Maximálny útlm: 65 dB

Vložný útlm (všetky relé vypnuté): 0,07 dB (10 MHz), 0,36 dB (100 MHz)

Šírka pásma atenuátora: >300 MHz pre odchýľku 1 dB od nom. Hodnoty

Napájanie: +12V/250mA

 

Modul so zapojeným predzosilňovačom:

Nominálna vstupná úroveň: -6 dBm

Celková šírka pásma modulu (-3 dB): 146 MHz

Napájanie: +/-12V

 

Ostatné technické parametre sú zhodné.

Útlmový článok typu p

Atenuátor je realizovaný prepínateľnými útlmovými článkami v konfigurácii p (obr. 19).

Obrázok 19: Útlmový článok v konfigurácii p

Hlavným dôvodom, prečo sa útlmové články tohoto typu používajú vo vysokofrekvenčných obvodoch je, že majú definovanú impedanciu na oboch portoch. Preto ich je možné použiť nielen ako atenuátory, ale aj ako širokopásmové impedančné prispôsobovacie obvody (napríklad minimum loss pad).

Hodnoty rezistorov pre súmerný p-atenuátor (R₁=R₃) s útlmom A (v dB) a menovitou impedanciou Z₀ sú nasledovné:

                                                 (5)

Vypočítané hodnoty rezistorov obyčajne vychádzajú úplne mimo vyrábané rady, ale paralelným spojením už dvoch rezistorov zo štandardnej rady je možné dosiahnuť veľmi dobré výsledky.

Pre použitie generátora v televíznej technike je možné atenuátor ľahko prepočítať na 75 Ohmový systém (viď tabuľka 4).

Tabuľka 4: Hodnoty prvkov sekcií atenuátora pre 50 a 75 Ohmový systém

Atenuátor

Atenuátor sa skladá zo štyroch sekcií, ktoré sa do obvodu zaraďujú pomocou relé (obr. 24). Obvod je univerzálny a pre použitie v televíznej technike je ho možné postaviť v 75 Ohmovej verzii (viď predchádzajúca podkapitola). Sekcia +15dB (v prípade použitia predzosilňovača aj sekcia 0dB) nie sú úplne impedančne prispôsobené smerom na výstup. Pre amatérske použitie by to ale nemalo predstavovať problém, v prípade potreby je možné obvod modifikovať tak aby bol stále prispôsobený za cenu nižšieho výstupného výkonu.

Hodnota kroku 5dB bola zvolená ako kompromis medzi kvalitou signálu DDS (parameter SFDR) a komplexnosťou zapojenia atenuátora. Regulácia amplitúdy v rámci 5dB sa realizuje programovo priamo v DDS.

V atenuátore sú použité malosignálové SMD relé typu G6K-2F firmy Omron. V katalógovom liste týchto relé je možné nájsť ich základné vysokofrekvenčné parametre do 100MHz. V praxi sa výrobcom udávané hodnoty obyčajne ukazujú veľmi optimistické a ťažko reálne dosiahnuteľné. Relé bolo preto na testovacej podložke zmerané analyzátorom vysokofrekvenčných sietí Agilent E5070B (obrázok 20). Namiesto relé Omron je možné použiť aj iné SMD malosignálové relé s rovnakým footprintom. Je ale nutné upozorniť, že VF parametre obvodu sa môžu výrazne zmeniť.

Obrázok 20: Meranie VF parametrov relé

Namerané hodnoty impedančného prispôsobenia (~S11) a izolácie kontaktov relé sú znázornené v grafe na obrázku 21. Relé vykazuje vynikajúce parametre izolácie a  prispôsobenia ešte aj na frekvenciách stoviek MHz, takže ho môžeme bez problémov použiť nielen v atenuátore pre generátor s obvodom AD9854.

Obrázok 21: Namerané hodnoty izolácie a imp. neprispôsobenia na vstupe relé

S ohľadom na parazitné kapacity medzi kontaktami relé a z nich vyplývajúce presluchy bola zvolená maximálna hodnota útlmu na jeden článok 30 dB.

Aby konštrukcia atenuátora ostala jednoduchá a reprodukovateľná aj v amatérskych podmienkach stanovil som počet sekcií na 4 s krokmi 5 dB, 10 dB, 20 dB a 30 dB. Tomu zodpovedá maximálny útlm 65 dB. V prípade potreby vyššieho útlmu je potrebné použiť externý fixný atenuátor.

Predzosilňovač

Zaťažený DDS modul v publikovanej podobe dodáva maximálny výkon -6 dBm. Preto je na vstupe modulu riadenia amplitúdy zaradený rýchly operačný zosilňovač AD8021 s fixným zosilnením 6 dB, ktorý zosilňuje signál na nominálnu úroveň 0 dBm.

Vstupný zosilňovač má šírku pásma len 146 MHz (zelená krivka na obr. 22), čo je práve postačujúce pre DDS modul s obvodom AD9854. Výkonový zosilňovač má ale šírku pásma približne 300 MHz (modrá krivka, obr. 22) a pasívna časť viac ako 600 MHz (oranžová krivka obr. 22). V prípade použitia modulu na iné účely je možné vypustením vsupného OZ výrazne rozšíriť použiteľné frekvenčné pásmo.

Oveľa lepšie VF parametre celého systému je možné dosiahnuť použitím transformátora na výstupe DDS obvodu. V prípade záujmu je možné neskôr publikovať aj túto zdokonalenú verziu.

Obrázok 22: Frekvenčné charakteristiky subsystémov modulu riadenia amplitúdy

Výkonový zosilňovač

Výstupný výkon DDS čipu 0 resp. -6 dBm nie je dostatočný pre použitie v univerzálnom signálovom generátore, preto je do signálového reťazca nutné zaradiť širokopásmový zosilňovač. Zosilňovač so ziskom 15 dB bol navrhnutý tak, aby dokázal dodať výkon minimálne +15 dBm do 50 Ohmovej záťaže.

Skladá sa z dvoch stupňov. Prvý je klasický zosilňovač so spoločným emitorom so ziskom trochu vyšším ako 15 dB nasledovaný emitorovým sledovačom, ktorý budí samotnú záťaž. Zosilňovač je osadený tranzistormi BFG135, ktoré sú bežne dostupné v kusovom množstve v maloobchodnom predaji. Emitorové rezistory R18 a R19 majú spolu výkonovú stratu približne 0,5 W. V zapojení sú použité SMD rezistory veľkosti 2512, ale v prípade problémov s dostupnosťou je možné  použiť „klasické“ bezindukčné rezistory.

Dosiahnutá šírka pásma tohoto zosilňovača je vyše 300 MHz (obrázok 22), čo postačuje aj pre modul so syntezátorom AD9858. Zmeraná prenosová charakteristika výkonového zosilňovača je na obrázku 23. Je vidieť, že zosilňovač je možné bez problémov prebudiť o viac ako 5 dB, čo znamená výstupný výkon viac ako +20 dBm.

Obrázok 23: Prenosová charakteristika výkonového zosilňovača.

Konštrukcia modulu

Kompletná schéma zapojenia modulu je na obrázku 24. Modul riadenia amplitúdy je postavený na jednej dvojstrannej doske plošných spojov, ktorá je vložená v tieniacej krabičke z pocínovaného plechu. Pri použití DPS s prekovenými otvormi je možné dosiahnuť vynikajúce parametre útlmu a zosilnenia až do oblasti stoviek MHz (viď. namerané parametre na obrázkoch 31 a 32).

Plošný spoj sa ku tieniacej krabičke priletuje po celej dĺžke na oboch stranách dosky. Krabička je vo vnútri rozdelená tieniacimi prepážkami na 5 častí. Prepážky A, B a C sa nasadia do pripravených zárezov a potom priletujú po celej dĺžke ku plošnému spoju a krabičke. Tieniace prepážky je vhodné vyrobiť z medenného plechu hrúbky 0,5-1mm.

Napájanie modulu a riadiace piny relé sú kôli zachovaniu súvislej zemnej roviny na spodnej strane plošného spoja vyvedené len na letovacie plôšky.

 

Obrázok 24: Schéma zapojenia modulu riadenia amplitúdy
Obrázok 26: Doska plošného spoja – strana spojov	Obrázok 25: Doska plošného spoja – strana súčiastok
Obrázok 28: Osadzovací plán – strana spojov	Obrázok 27: Osadzovací plán  – strana súčiastok
Obrázok 29: Vnútorné usporiadanie tieniacej krabičky	Obrázok 30: Tieniace prepážky

Zmerané parametre

Zmerané frekvenčné charakteristiky modulu bez predzosilňovača s OZ sú na obrázku 31. Frekvenčné charakteristiky modulu so zosilňovačom AD8021 sú na obrázku 32.

Obrázok 31: Frekvenčné charakteristiky modulu riadenia amplitúdy bez predzosilňovača

Obrázok 32: Frekvenčné charakteristiky kompletného modulu riadenia amplitúdy s predzosilňovačom (sekcie +15,0,-10,-20,-30dB)

Zoznam súčiastok pre modul riadenia amplitúdy (atenuátor/zosilňovač):

Modul odpojenia výstupu

Softvér DDS generátora má implementovanú funkciu úplného odpojenia výstupu generátora. Aby ju bolo možné využiť je potrebné postaviť modul odpojenia výstupu. Ide o veľmi jednoduchú malú dosku s jedným relé rovnakého typu ako sú použité v atenuátore.

Schéma zapojenia a motív plošného spoja je znázornený na obrázkoch 33, 34 a 35.

Obrázok 33: Schéma zapojenia modulu odpojenia výstupu

Obrázok 34: DPS odpojenia výstupu, strana súčiastok

Obrázok 35: Osadzovací plán modulu odpojenia výstupu

Referencie:

[1] internet http://www.microwaves101.com/encyclopedia/attenuators.cfm