ВХОДНЫЕ КАСКАДЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ

ВХОДНЫЕ КАСКАДЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ НА
УПРАВЛЯЕМЫХ УСИЛИТЕЛЯХ КОМПАНИИ ANALOG DEVICES
Губа А.В., Губа А.А, ДГТУ, Махачкала
Классическая схемотехника входных каскадов измерительной аппаратуры,
в частности вольтметров, осциллографов, частотомеров и т.п. предполагает в
качестве способа расширения предела измерений в сторону более высоких
напряжений использование многопредельных делителей напряжения с
последующим подключением предусилителей с неизменным по величине
(нормированным)
коэффициентом
усиления.
При
этом
применяется
несколько вариантов построения усилителей. В одном из случаев схема
входных каскадов измерительного прибора, как правило, рассчитывается на
минимальный предел измерения, а делитель напряжения, состоящий из
несколько
последовательно
соединенных
элементов
(как
правило,
резисторов) и переключателя, позволяет подавать на вход усилителя все
измеряемое напряжение или строго определенную его часть. В другом случае
используется несколько автономных делителей напряжения, требуемый из
которых коммутируется в зависимости от предела измерения, определяемого
параметрами входного сигнала.
Очевидно,
что
данные
подходы
к
построению
входных
цепей
измерительной аппаратуры изначально подразумевают содержание большого
количества прецизионных элементов, а в случае необходимости измерения
напряжений переменного тока в области высоких и сверхвысоких частот –
использование дополнительных цепей фазовой и частотной коррекции. Эти
факторы обуславливают большую стоимость прибора, относительно низкие
весогабаритные характеристики и известные затруднения при регулировке.
Наиболее простым и привлекательным способом устранения отмеченных
недостатков
является
минимизация
элементов
входного
делителя
с
дополнительным введением в состав входного каскада измерительного

В сокращенной версии материалы статьи опубликованы в журнале «Радиолюбитель» №№ 5; 6, 2004 г. с.
60-62
прибора схемы предусилителя с управляемым коэффициентом усиления.
Сущность данного способа заключается в использовании одного делителя
напряжения,
состоящего
из
двух
элементов,
параметры
которых
рассчитываются на максимальный предел измерения, а переход на пределы
измерения
более
низких
величин
напряжений
производится
путем
увеличения коэффициента усиления предусилителя.
Возможность
предоставляет
выбора
усилителя
с
требуемыми
параметрами
продукция компании ANALOG DEVICES, усилители
которой, относящиеся к классу VARIABLE GAIN AMPLIFIER(VGA)[1] усилители с управляемым коэффициентом усиления по напряжению –
имеются в сериях AD6xx и AD83xx. Если VGA серии AD6xx обладают
относительно малой полосой пропускания, ΔF = 40…90 МГц, при
неравномерности частотной характеристики 3db и имеют аналоговый вход
управления, то VGA серии AD83xx имеют как аналоговый (AD8330, AD8367
и др.), так и цифровой управляющий вход (AD8369, AD8370). К тому же
вторая серия относится к высокочастотной, полоса пропускания отдельных
усилителей достигает 700МГц.
Диапазон изменения коэффициента усиления по напряжению – GAIN
RANGE (GR) – у большинства усилителей составляет 30…40 db, однако,
следует выделить AD8330 с полосой до 150 МГц, у которого GAIN RANGE
составляет 50 db, что позволяет широко использовать его в
относительно низкочастотной измерительной аппаратуре. Особо следует
оговорить, что данный усилитель является многофункциональным и может
быть
без
назначения,
особых
затруднений
поэтому
применен
остановимся
на
в
аппаратуре
характерных
различного
особенностях,
применимых к указанному приложению.
Входные и выходные цепи AD8330 выполнены по дифференциальной
схеме, обеспечивая подачу входного напряжения от 0,3 мВ до 1В и
изменение выходного напряжения в формате Rail-To-Rail, т.е. от 0В до

Здесь и далее используются терминология документации, предоставленной фирмой ANALOG DEVICES.
величины напряжения источника питания, которое в свою очередь может
быть установлено
в диапазоне от 2,7В до 6В. Потребляемый при этом
усилителем ток не превышает 20мА. Напряжение на входе управления
коэффициентом усиления Vdbs может изменяться плавно или дискретно от
0В до 1,5В вызывая в предельном случае увеличение коэффициента усиления
на 50 db (рис. 1), что позволяет использовать этот вход и в качестве
элемента автоматической регулировки усиления. Дифференциальное входное
сопротивление Rin = 1кОм, а выходное Rout = 75Ом.
Недостатком усилителя является
малое
входное
которое
сопротивление,
может
скомпенсировано
быть
буферизацией
входной цепи, в частности, путем
включения
между
делителем
напряжения и AD8330 усилителя
типа AD8007 с
4МОм и
аналогичного.
повторителя
Буферный
напряжения,
Rвх ≥
ΔF = 650 МГц
или
усилитель может быть включен по схеме
а
в
случае
необходимости
обеспечения
дополнительного (начального) коэффициента усиления – выполнен по схеме
инвертирующего/неинвертирующего усилителя. При этом коэффициент
усиления каскада устанавливается по известной методике.
Некоторые неудобства доставляет наличие у AD8007 линейного выхода,
однако их устранение не вызывает затруднений. Альтернативным вариантом
в этом случае является использование дифференциального усилителя, в
частности, AD8132 с ΔF = 350 МГц и Rвхдиф ≥ 12 МОм. Характерной
особенностью для AD8132 является способность функционировать как при
двухполярном, так и в случае однополярного источника питания. При этом
схема включения не претерпевает изменений, различие наблюдается в

Из технической документации на AD8330 фирмы ADI, версия Rev.A, 4/03, стр. 6, TPC 6.
коэффициенте усиления. Данный усилитель имеет дополнительный вход
управления, величина напряжения на котором определяет максимальную
амплитуду выходного сигнала, которая в пределе может достигать величины
напряжения питания.
Погрешность измерений при рассматриваемом способе построения
входных цепей аппаратуры в основном будет зависеть от стабильности
коэффициента усиления, которая в свою очередь определяется как
параметрами самого усилителя, так и параметрами применяемого
источника управляющего напряжения.
Одним из важных показателей усилителя класса VGA является GAIN
ERROR (GE) – ошибка (погрешность)
установления
коэффициента
усиления, величина которой зависит от температуры рабочей среды
эксплуатации (рис. 2) и частоты усиливаемого сигнала (рис. 3). (На рис. 2 и
рис. 3 представлены зависимости для AD8330).
Из приведенных характеристик следует, что минимальное значение GE
находится в пределах Vdbs = 0,2В…1,2 В, что соответствует диапазону
изменения коэффициента усиления в пределах от 7 db до 40 db.
В качестве источников опорного напряжения для создания требуемых
величин Vdbs можно применить один из имеющихся в номенклатуре серий
ADR2xx…ADR6xx, обладающими высокими параметрами, в частности,
ADR420. Данный источник относится к классу Ultraprecision Low Noise с

Из технической документации на AD8330 фирмы ADI, версия Rev. A, 4/03, стр. 6, TPC 3, TPC 4.
номинальным значением выходного напряжения V0 = 2,048 В, уровень
шумов на выходе которого не превышает 1,75мкВ, обеспечивая при этом
максимальную величину выходного тока – 10 мА. Необходимые напряжения
Vdbs получаются при совместном использовании ADR420 и резистивных
делителей напряжения постоянного тока и подключаются к усилителю с
помощью коммутатора. Таким образом, структура входных каскадов
измерительной аппаратуры будет иметь следующий вид (рис.4):
Сразу же следует оговорить, что структура универсальна и может быть
использована
с
изменениями
незначительными
при
разработке
практически любого измерительного
прибора или комплекса.
Другая
входных
версия
каскадов
реализации
основана
на
применении усилителей класса VGA
с
цифровым
управлением
коэффициентом усиления. Одним из
представителей данных усилителей
является AD8369. Как и в предыдущем случае, остановимся лишь на
наиболее
интересующих
особенностях.
Этот
усилитель
обладает
максимальным коэффициентом усиления 40 db при полосе пропускания 600
МГц, напряжении питания 5В и потребляемом токе 37мА.
Изменение
коэффициента
усиления
осуществляется
посредством
параллельного
цифрового интерфейса, состоящего из четырехразрядной шины данных
BIT0-BIT3 и линии управления DENB. Наличие цифрового интерфейса
позволяет производить управление коэффициентом усиления как в “ручном”,
так и в автоматическом режимах работы, предполагая во втором случае
введение
в
схему
устройства
дополнительных
аппаратных
средств
управления. Как следует из характеристики, представленной на Рис. 5,
приращения коэффициента усиления AD8369 фиксированы и составляют 3
db при изменении содержимого управляющего кода на одну единицу. При
кодовой комбинации 0000 коэффициент усиления по напряжению равен -5
db, а при комбинации 1111 достигает 40 db (рис. 5).
Недостатком усилителя для рассматриваемого приложения является
низкое входное сопротивление, составляющее 200 Ом, поэтому, и в данном
случае требуется буферизация каскада, в частности, по
описанной выше
методике.
В целом, структура устройства с использованием усилителя AD8369
представлена на рис. 6.
Ещё более высокие качественные показатели можно получить при
использовании VGA AD8370 с полосой пропускания до 700 МГц.
Предусилитель, в составе AD8370, упрощает согласование с входным
усилителем и обладает наименьшей величиной ошибки при фиксированном
коэффициенте усиления.

Из технической документации на AD8330 фирмы ADI, версия Rev. 0, 1/03, стр. 7, TPC 4.
Для ряда низкочастотных применений рекомендованы VGA серии
AD6xx, среди которых по своим частотным параметрам выделяется AD603
(рис.7).
VPOS 8
SCALING
REFERENCE
VNEG 6
GPOS
1
1
GNEG 2
FIXED-GAIN
AMPLFIER
PRECISION PASSIV
INPUT ATTENUATOR
7
VG
AD 603
GAIN
CONTROL
INTERFACE
6.44к
5 FDBK
694
0db
-6.02
-12.4
-18.6
-24.8
-30.1
-36.12
R
R
-42.14
VINP 3
R
2R
R
R
R
VOUT
2R
2R
R
2R
2R
2R
R
20
COMM 4
R-2R LADDER NETWORK
Рис. 7 Функциональная схема AD603.
Усилитель AD603 обладает диапазоном изменения коэффициента
усиления от -11 db до +31 db при частоте усиливаемого сигнала вплоть до 90
МГц. Требуемое значение коэффициента усиления может быть установлено
путем изменения напряжения на интерфейсных входах 1 и 2 усилителя в
пределах от -1,2 В до 2,0 В. Однако проведенные исследования показали, что
в случае обеспечения начального опорного напряжения на интерфейсных
входах порядка 0,5 В диапазон изменения коэффициента усиления
становится +3 db до +45 db.
Как отмечалось ранее, характерным недостатком ряда усилителей VGA,
в том числе и AD603, является малое входное сопротивление (порядка 100
Ом), которое в схеме (рис.8) скомпенсировано элементом AD797.
В схеме для упрощения рассмотрения вариант «ручного» изменения
коэффициента усиления в заявленном диапазоне потенциометром R7, но в
реальных применениях используется управление посредством ЦАП или
цифровых потенциометров.
Рис. 8 Пример возможной реализации входного каскада измерительной аппаратуры
на основе AD603.
Опираясь даже на поверхностный обзор возможностей отдельных
рассмотренных элементов компании ANALOG DEVICES можно говорить о
новых тенденциях в схемотехническом проектировании электронных
устройств
и
систем
различного
назначения.
Касаясь
практической
реализации, следует отметить, что при соблюдении соответствующих
рекомендаций специалистов компании, изготовление устройств не вызывает
затруднений, при этом подтверждаются оговоренные в документации
показатели.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Walt
Kester,
James
Bryant.
Op
Amp
Applications,
Section
2-2:
PROGRAMMABLE GAIN AMPLIFIERS. Copyright © 2002 By Analog
Devices, Inc. ISBN 0-916550-26-5.