Steve Roach. Нормализация входного сигнала осциллографа и творческое начало (перевод)

На рисунке 7-13 представлен один из многочисленных способов построения "двухканального" преобразователя импеданса, позволяющего решить указанные проблемы (Evel 1971, Tektronix 1972). Постоянное напряжение и низкочастотные сигналы проходят через операционный усилитель, а высокочастотные обходят его через конденсатор C1. На постоянном напряжении и низких частотах обратная связь даёт двухканальному повторителю точность прецизионного операционного усилителя. На высоких частотах сигнал, проходящий через конденсатор C1, преобладает в контроле над первым затвором, а повторитель работает без обратной связи. Транзистор защищается диодами и токоограничивающим эффектом конденсатора C1. Шум транзистора вида 1/f частично подавляется операционным усилителем. Схема допускает большое постоянное смещение на входе, регулируемое через вход V_offset.

Рисунок 7-13. Двухканальный преобразователь импеданса

На рисунке 7-14 дана детальная картина неравномерности АЧХ двухканального преобразователя импеданса. Обратная связь вокруг операционного усилителя берёт на себя заботы об ошибке коэффициента усиления повторителя на низких частотах (рисунок 7-12). Неравномерность усиления в полосе до 80MHz не превышает 0.1%. Колебания на графике происходят во время перехода с низкочастотного канала на высокочастотный.

Рисунок 7-14. Неравномерность АЧХ двухканального преобразователя импеданса в подробностях

Двухканальный вариант имеет дополнительные преимущества. Он позволяет заниматься высокочастотным путём распространения сигнала через конденсатор C1 без оглядки на точность при постоянном напряжении. На постоянном напряжении выходной уровень не зависит от входного и может подстраиваться под требования предусилителя. Развязка по постоянному току легко реализуется установкой блокирующего конденсатора на неинвертирующий вход операционного усилителя. Таким образом, мы избегаем добавления в высокочастотный канал блокирующего постоянный ток реле со всеми его паразитными эффектами.

У двухканального преобразователя импеданса есть и недостатки. Негладкость АЧХ, видимую на рисунке 7-14, убрать, похоже, не удастся ни при каком варианте двухканальной схемы. Кроме того, конденсатор C1 образует с входной ёмкостью повторителя ёмкостной же делитель напряжения. Вместе с тем фактом, что коэффициент усиления истокового повторителя меньше единицы, это означает невозможность уравнивания коэффициентов усиления высоко- и низкочастотных каналов. Разброс номиналов компонентов усугубляет положение. Из-за того, что на входе схемы стоит прецизионный делитель, входное полное сопротивление преобразователя должно максимально точно соответствовать импедансу простой параллельной RC цепи. С учётом этого обстоятельства самой распростанённой проблемой является недостаточное быстродействие операционного усилителя и невозможность с его стороны обеспечивать нужный ток через резистор R1 (см. рисунок 7-13) на относительно высоких частотах.

Восстановление после перегрузки в двухканальном усилителе может стать совершеннейшим кошмаром. Есть два пути появления проблем перегрузки. Если входной сигнал достаточно велик для того, чтобы сместить в прямом направлении один из защитных диодов, конденсатор C1 очень быстро заряжается через низкое сопротивление диода (рисунок 7-13). То, что входной импеданс при перегрузке выглядит как конденсатор ёмкостью 270pF само по себе не так плохо, но время восстановления определяется постоянной времени 270pF * 4.7MΩ или 1.3ms! Обратная связь вокруг операционного усилителя слегка ускоряет этот процесс, но всё равно восстановление длится целую вечность по сравнению с 400ps времени нарастания! Другим механизмом перегрузки является насыщение истокового повторителя. При насыщении операционный усилитель начинает интегрировать разницу между входом схемы и выходом повторителя с помощью конденсатора обратной связи ёмкостью 6.8nF. Восстановление продолжается миллисекунды. Тяжесть проблем смягчается тем фактом, что для насыщения МОП-транзистора нужно около ±2V и около ±5V для включения защитных диодов. То есть для перегрузки схемы нужен сигнал приблизительно в десять раз больше, чем полный входной диапазон предусилителя.

Я прошу прощения за "настройку", в результате которой простой, элегантный повторитель на одном транзисторе превратился в "двухканальный преобразователь импеданса со следящей связью". Но, как я утверждал в начале, существующее сочетание требований приводит нас к экстремальным решениям. Удовлетворить все требования одновременно с помощью простого устройства очень сложно. В следующем разделе я расширю двухканальную технику на входной делитель. Возможно, тогда этот подход сумеет полностью оправдать свою сложность.