Рассмотрим особенности подключения трансформатора ко входу малошумящего широкополосного усилителя с обратной связью по напряжению. Когда частота сигнала намного меньше частоты единичного усиления, предлагаемый подход позволяет сократить энергопотребление по сравнению со стандартной схемой на усилительных радиочастотных блоках. Уменьшение шума позволит измерять малые по величине сигналы за счет чего возрастет динамический диапазон.

Рассмотрим простой неинвертирующий усилитель. Для согласования на неинвертирующем входе установлен резистор, подключенный к земле. Резистор в контуре обратной связи подобран так, чтобы он не сильно увеличивал шум и в то же время обеспечивал отсутствие паразитных связей.

В ОУ с очень низким входным шумом, таких как ISL55190 со спектральной плотностью шумового напряжения и тока 1,06 нВ/√Гц и 5 пА/√Гц соответственно, шум резистора может представлять собой заметную величину. Следовательно, лучше заменить резистор на трансформатор. Коэффициент шума NF1 для простого неинвертирующего усилителя с резистором, подключенным к общей шине (согласование на 50 Ом), вычисляется по формуле:

(1)

Числитель дроби представляет собой общую спектральную мощность шума приведенного ко входу усилителя, в знаменателе – шум резистора R_s. Единственными параметрами, которые можно менять в выражении (1), являются коэффициент усиления и R_f. Так, при R_f = 332 Ом и коэффициенте усиления по напряжению 10, NF1 = 10,23 дБ для усилителя ISL55190.

При проектировании схемы важно проверить общую полосу пропускания и коэффициент передачи обратной связи. Для усилителя ISL55190 произведение коэффициента усиления на полосу пропускания равно 1150 МГц при токе потребления 16 мА и напряжении питания +5 В. Если коэффициент усиления равен 10, полоса пропускания с замкнутой ОС составляет 115 МГц. В подобных случаях не имеет смысла обеспечивать выходной сигнал с малыми искажениями до точки F_-3dB, поскольку к этому моменту коэффициент передачи ОС уже спадет до 0 дБ.

Преимущества использования трансформатора

Рассмотрим пример. Трансформатор MiniCircuits ADT4-1WT имеет коэффициент передачи 12 дБ на полосе 29 МГц. Коэффициент усиления по напряжению 10, согласование на 50 Ом.

Рис. 1. Согласующий трансформатор подключен к неинвертирующему входу ОУ

Подключим к его неинвертирующему входу (см. рис. 1). При коэффициенте трансформации n согласование с Rs сохраняется до тех пор, пока сопротивление резистора не превышает n2R_s. Входное сопротивление трансформатора должно составлять 200 Ом.

Коэффициент шума вычисляется следующим образом:

(2)

Таким образом, за счет трансформатора суммарное приведенное ко входу шумовое напряжение уменьшается в n раз, а ток – увеличивается в n раз. Величина e_n включает в себя все слагаемые в числителе (3), кроме I_ni.

Отсюда оптимальный коэффициент трансформации, при котором коэффициент шума минимален, имеет следующий вид:

(3)

В зависимости от коэффициента преобразования трансформатора изменяют коэффициент усиления ОУ, чтобы общее усиление входного не менялось. Пусть коэффициент преобразования равен 2, а коэффициент усиления ОУ равен 5. При увеличении коэффициента усиления до 5 номинальная частота F_-3дБ увеличивается до 230 МГц, а коэффициент передачи ОС превышает 12 дБ на частоте выше 58 МГц. Полезная полоса частот увеличивается почти вдвое за счет того, что сигнал усиливается не только ОУ, но и трансформатором. При этом выходной шум в схеме с трансформатором меньше.

Подключение к инвертирующему входу

Рис. 2. Трансформатор подключен к инвертирующему входу ОУ

Еще более интересный результат получается, если трансформатор подключить к инвертирующему входу (см. рис. 2). Пусть коэффициент преобразования остается равным 2. Поскольку на инвертирующем входе ОУ виртуальный ноль, R2 = 200 Ом согласовано с сопротивлением 50 Ом на входе трансформатора и вместе с резистором 1 кОм обеспечивает коэффициент усиления -5.

При полосе пропускания больше 1 ГГц важно учесть паразитные связи, обусловленные резистором. В схеме на рисунке 2 для этого параллельно резистору включен конденсатор 200 фФ. Преимуществом данной схемы является то, что к неинвертирующему входу не подключены резисторы. Во-вторых, уменьшен коэффициент усиления шумового напряжения. Коэффициент усиления на неинвертирущем входе зависит от R2 + n2R_S. Соответственно, коэффициент усиления уменьшается до 3,5, в то время как общий коэффициент усиления остается равным -10. Коэффициент шума для данной схемы имеет следующий вид:

(4)

где

Оптимальный коэффициент преобразования равен

(5)

Для рассматриваемого примера NF3 = 6,99 дБ, практически так же, как и в предыдущем случае. За счет малого коэффициента усиления шума (3,5) коэффициент передачи обратной связи уменьшается до нуля при более высокой частоте, 328 МГц. Петлевое усиление превышает 12 дБ на полосе 82 МГц.

Сравнение схем

В таблице 1 сведены характеристики рассмотренных схем. В схемах с трансформаторами приведенный ко входу шум от Rs в точке подключения равен 1,4 нВ/√Гц. Для первой схемы он меньше, 1,03 нВ/√Гц. В то же время при использовании трансформатора расширяется частотный диапазон, на котором петлевое усиление превышает 12 дБ. Трансформатор не увеличивает потребление. Таким образом, динамический диапазон схемы увеличивается.

Табл. 1. Характеристики схем

Промоделируем схемы с помощью открытого инструмента iSimPE для ОУ Intersil и сравним F_–3dB. Полоса пропускания в инвертирующей схеме меньше, чем ожидалось, за счет паразитных эффектов. Тем не менее, в схеме 3 сигнал искажается меньше, чем в остальных. Уменьшение коэффициента усиления шума с 5 до 3,5 позволяет увеличить петлевое усиление на 3 дБ.

Дифференциальная схема

Трансформатор можно использовать для получения дифференциального выхода. Для этого следует воспользоваться дифференциальным усилителем ISL55290.

Для получения инвертированного сигнала можно воспользоваться полностью дифференциальными усилителями, например ISL55210. В этом случае более предпочтительно использовать усилитель с обратной связью по напряжению, поскольку номинал резистора в цепи ОС полностью определяется требованиями к импедансу и коэффициенту усиления. В полностью дифференциальных усилителях с токовой ОС номинал резистора в цепи ОС сильно зависит от динамических характеристик. Они имеют очень широкую полосу, если резистор Rf подобран правильно.