بخشی از مقاله
طراحی تقویت کننده لگاریتمی آشکارساز ویدیو در باند 2-7 گیگا هرتز
چکیده - در این مقاله یک تقویت کننده لگاریتمی آشکارساز ویدیو با محدوده دینامیکی 40 dB در باند فرکانسی 2-7 GHz طراحی شده است. از آنجا که تقویت کننده لگاریتمی آشکارساز ویدیو (DLVA) برای تبدیل توان سیگنال RF به ولتاژ ویدیو در مقیاس لگاریتمی استفاده
میشود، می توان آن را به عنوان یک مبدل لگاریتمی به جای تقویت کننده لگاریتمی در نظر گرفت. طراحی از دو بخش اصلی تشکیل شده است: آشکارساز دیود شاتکی که سیگنال RF ورودی را تنظیم و یک ولتاژ ویدیو تولید میکند و تقویت کننده لگاریتمی که مقیاس ولتاژهای ویدیویی را از مقیاس خطی، به مقیاس لگاریتمی، به منظور نمایش سیگنال های RF با محدوده دامنه گسترده، تبدیل میکند.
مطالعه به طور کلی از دو قسمت تشکیل شده است: اول، اطلاعات مختصری در مورد روش های تقویت لگاریتمی داده شده است و معماری مدار برای تقویت کننده لگاریتمی و آشکارساز ویدیو بررسی شده است، دوم، این مدارات شبیه سازی شده اند.
کلید واژه- باند 2-7 گیگاهرتز ، تقویت کننده آشکارساز ویدیو ، طراحی تقویت کننده ، DLVA
-1 مقدمه
تقویت کنندههای لگـاریتمی بـرای فشـرده سـازی محـدوده دینامیکی سیگنالهـای RF کـه طیـف گسـتردهی تـوان دارنـد، استفاده میشوند. تقویت کنندههای لگاریتمی میتوانند به عنوان مدار بهره اتوماتیک در نظر گرفته شوند که دلیل آن تنظیم پـذیر بودن بهره آن ها است. با این حال، عملکرد برتـر تقویـت کننـده های لگاریتمی در مقایسه بـا مـدارهای خودکـار بهـره، در پاسـخ ضربه و زمان نشست است که باعث میشود در سیستمهای رادار استفاده شوند.[1] برخی از دیگر زمینـه هـای کـاربرد آن جنـگ الکترونیک و ابزار دقیق است.[2]
-1-1 ویژگی تقویت کننده های لگاریتمی
خطای لگاریتمی کوچـک، حساسـیت سـیگنال ممـاس کـم (TSS)، پاسخ ضربه سریع و محدوده دینامیکی بالا از ویژگیهـای مطلوب یک تقویت کننده لگاریتمی است. به منظور روشن شـدن مطلب، این ویژگیها به طور خلاصه توضیح داده خواهد شد:
• خطای لگاریتمی: خطای لگاریتمی انحراف پاسـخ لگـاریتمی از تقریب خطی به دست آمده توسط بهتـرین خـط منحنـی
اتصالات است.[3]
· پاسخ پالس: پاسخ پالس متشکل از زمانهای صعود، نـزول، نشست و بازیابی سیگنال آشـکار شـده اسـت و بـه وسـیله پهنای باند ویدیو تعیین میشود .[4]
· فرکانس صافی: تنوع ولتاژ ویدیو خروجـی بـا فرکـانس، در یک دمای ثابت و توان ورودیRF ثابت، فرکـانس صـافی را به ما میدهد.[5]
· حساسیت سیگنال مماس : (TSS1) حـداقل تـوان پـالس برای آشکارشدن است.
· محــدوده دینــامیکی ورودی : محــدوده دینــامیکی ورودی وسیعترین محدودهای است کـه فاصـله خطـای لگـاریتمی مشخص را جبران میکند.[5]
· محدوده دینـامیکی : محـدوده دینـامیکی از TSS تـا حـد بالایی محدوده دینامیکی ورودی تعریف میشود.[5]
· زمان صـعود: زمـان سـپری شـده بـین 10٪ و 90٪ ولتـاژ
خروجی در لبه بالا رونده پالس ، زمان صعود است .[ 5] فیبر نوری پهن باند مورد استفاده قرار داد [7]، .[8]
• زمان سقوط: زمان سـپری شـده بـین 90٪ و 10٪ ذولتـاژ یک روش دستیابی به تقویت کننده لگاریتمی واقعی، آبشـار
خروجی در لبه پایین رونده پالس ، زمان سقوط است. [5] کردن تقویت کننده های شامل طبقات بهره دوگانه اسـت. عـالی
• زمان نشست: زمان سپری شده بین 10٪ ولتاژ خروجی به ترین نتایج با استفاده از ترانزیستورهای دو قطبی و MESFET ها
زمانی که ولتاژ خروجی به یک حالت پایدار در یک خطـای بدست آمده است [9] ، .[10]
مجاز مشخص در لبه بالا رونده پالس رسـیده اسـت، زمـان توپولوژی دو مدار پایـه کـه بـرای بـه دسـت آوردن تقویـت
نشست نام دارد.[5] کننده های لگاریتمی واقعی استفاده می شود :[6]
.1 تقویت کننده لگاریتمی سری خطی محدود
.2 تقویت کننده لگاریتمی جمع موازی
(a تقویت کننده لگـاریتمی فشـرده جلـو رونـده
جمع موازی
(b تقویت کننده لگاریتمی تقویت مـوازی جمـع
موازی
.
طبقه بندی تقویت کننده لگاریتمی
تقویت کننده های لگاریتمی به طور گسـتردهای در گیرنـده های رادار برای فشردهسازی محدوده دینامیکی سیگنال اسـتفاده میشوند. آنها با محدود کـردن طیـف دینـامیکی، آشکارسـازها را فعال میکنند تا در سیستم بـرای انـدازه گیـری سـیگنال هـا بـا سطوح ورودی متفاوت مورد استفاده قرار گیرنـد . تقویـت کننـده های لگاریتمی را میتوان با توجه به رمزگشایی شـدن یـا نشـدن سیگنال RF به دو نوع دسته بندی کرد:[6]
.I تقویت کننده های لگاریتمی واقعی
.II تقویت کننده های لگاریتمی رمزگشایی شده
-1-2-1 تقویت کننده لگاریتمی واقعی
تقویت کننده های لگاریتمی واقعی یک نوع از تقویت کننده های لگاریتمی هستند که اطلاعات فاز سـیگنال ورودی راحفـظ میکنند و معمولا به دلیل اینکه این گیرنـده هـا نیـاز دارنـد کـه تغییرات فاز از طریق مدار لگاریتمی، تغییراتی در سطح سـیگنال ورودی ایجاد نکند در گیرنده هـای رادار بـرای تشـخیص اهـداف متحرک استفاده میشوند. به تازگی نشـان داده شـده اسـت کـه تقویت کننده لگاریتمی واقعی را میتوان در یک سیستم ارتباطی
-2-2-1 تقویت کننده لگاریتمی رمزگشایی شده
هنگامی که پوشش سیگنال بسیار قابل توجه اسـت، تقویـت کننده های لگاریتمی رمزگشایی شده استفاده میشوند . اطلاعات فاز به دلیل آشکارسازی و تـاخیر فـاز حفـظ نمـیشـود . دو نـوع تقویت کننده لگاریتمی رمزگشایی شده وجود دارد:
• تقویــت کننــده هــای لگــاریتمی آشکارســاز ویــدیو
(DLVA)
• تقویــت کننــده هــای لگــاریتمی آشکارســاز متــوالی(SDLA)
DLVA -2
سیگنال RF با یک دیود آشکارساز رمز گشایی میشود و بـه سیگنال فرکانس پایین ویدیو تبدیل میشود، و پس از آن تقویت لگاریتمی میشـود. طیـف دینـامیکی DLVA بسـتگی بـه دیـود آشکارساز دارد (برای دیود آشکارساز شاتکی - 45 dBm تـا +15 و برای دیود آشکارساز تونلی-40 dBm تا +5 استفاده میشـود). همانطور که در شکل 2 مشاهده میشود از آنجا که DLVA تک طبقه ای یک طیف دینامیکی لگاریتمی محدود فـراهم مـیکنـد، یــک مســیر آشکارســازی مــوازی، بــرای بدســت آوردن محــدوده دینامیکی گسترده مورد استفاده قرار میگیرد .[12] [11]
سیگنال RF مقسم توان را تغذیه میکند. مسیر سـیگنال A تقویت شده و باعث میشـود سـیگنال هـای کـم تـوان در دیـود آشکارساز قابل تشخیص شـوند؛ بـه عبـارت دیگـر، ایـن تقویـت، حساسیت DLVA را افزایش مـیدهـد . مسیرسـیگنال B مقسـم توان را تغذیه میکند و در دیود آشکارساز دیگر یکسو مـیشـوند. سیگنال های ویدیویی با فرکـانس کـم در LVA (تقویـت کننـده لگاریتمی ویدیو ) به صورت لگاریتمی تقویت میشوند که پـس از تبدیل سیگنال های RF به سیگنال های فرکانس پایین ویدیو بـا رمزگشایی در آشکارسازهای RF یکسو میشوند و برای دادن یک خروجی ویدیو لگـاریتمی در یـک محـدوده دینـامیکی گسـترده جمع میشـوند [4]، .[11] رانـش DC و افسـت مشـکلات اولیـه مشاهده شده در این نوع تقویت کننده هاست .[2]
SDLA -3
همانطور کـه از شـکل 3 دیـده مـیشـود توپولـوژی SDLA شباهت زیادی با روش فشرده سازی جلو رونده جمع موازی دارد. سیگنال از طریـق تقویـت کننـده هـای RF تقویـت مـیشـود و سیگنال های رمزگشایی شده برای دادن یک تقریب خطـی تکـه ای از منحنی لگاریتمی جمع مـیشـوند . خروجـی یـک سـیگنال ویدیویی با دامنه متناسب با لگاریتم دامنه حامل است.[14]
اگر چه تقویت کننده های لگاریتمی آشکارساز ویدیو به طور گسترده ای برای سیستم های EW که نیاز به آشکارسازی بـالاتر از 2 گیگاهرتز دارند اسـتفاده مـیشـوند، امـا توپولـوژی DLVA محــدودیت هــایی در بــر دارد. تقویــت کننــده هــای لگــاریتمی آشکارساز متوالی راه حلی برای برخـی از ایـن محـدودیت هـا بـا افزایش تعداد تقویت کننده های RF و طبقات آشکارساز هسـتند .[15] در مطالعه [11] مشاهده شده کـه SDLA پاسـخ پـالس و عملکرد محدوده دینامیکی بهتری در مقایسـه بـا DLVA نشـان میدهد.
همانند روش فشرده سازی جلو رونده جمـع مـوازی، طیـف دینامیکی ورودی تقویت کننده لگاریتمی را میتـوان بـا افـزایش تعداد طبقات تقویت کننده افـزایش داد، بـا ایـن حـال ایـن امـر محدودیت در پهنای باند و بـدتر شـدن ثبـات سیسـتم را مطـرح میکند .[11] خطای لگاریتمی کوچکتر با افزایش تعداد طبقـات با بهره کمتر میتواند به دست آید. بـه منظـور بـه دسـت آوردن SDLA مطلوب، با خطای لگاریتمی کوچک و محدوده دینـامیکی بالا، طبقات تقویت کننـده RF، آشکارسـازها و محدودکننـده هـا باید یکسان باشند و پاسخ لگاریتمی نباید با تغییـرات دمـا تغییـر کند. این مشکلات را می توان با یکپارچه سازی حل کرد.[14]
-4 مدار آشکارساز
-1-4 معرفی آشکارساز دیود شاتکی
