dsd1-10 / dsd-06=Kruglov+АИС / PDF_VERSION pic / LabRAb6_CherryCuper_Cell_Shishina

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.

ИЗУЧЕНИЕ СХЕМЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО КАСКАДА ЧЕРРИ-КУПЕРА.

Цель работы : исследование работы схемы дифференциального усилителя в цепях передачи информации.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.Изучить особенности передачи информационных сигналов в линиях связи и схему усилителя Черри-Купера

2.Выполнить домашнее задание.

3.Выполнить исследовательскую часть работы.

4.Оформить отчет и сдать работу.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

Дифференциальный усилительный каскад с высоким коэффициентом усиления и большой полосой пропускания часто используется для обработки информационных сигналов. Чем лучше характеристики усилительной схемы, тем меньше искажений будет сопутствовать передаваемой и

восстанавливаемой информации.

1.1. Методы передачи данных.

В последнее время цифровые системы все энергичнее вытесняют аналоговые. Для современной техники связи преобладающее значение имеет передача дискретных данных. Теория информации и связи изучает синтаксический аспект, то есть формальные правила объединения знаков в сообщения и способы их экономичной и безошибочной передачи.

Передаваемая в цифровых системах информация может быть представлена в виде последовательности символов некоторого алфавита из большого числа знаков. Но с помощью кодирования она преобразуется в последовательность

двоичных знаков, или символов.

Спектры и сигналы. По своей изначальной природе двоичные сигналы - это

последовательность прямоугольных импульсов, а для передачи таких импульсов без искажений требуется теоретически бесконечно большая полоса частот. Но реальные каналы могут обеспечить лишь ограниченную полосу частот, поэтому и

1

необходимо согласовывать передаваемые сигналы со свойствами каналов. Такое согласование может выполняться благодаря кодированию исходных данных за

счет обеспечения специальной формы импульсов, переносящих данные, а также с помощью различных видов модуляции. Поэтому и различают передачу данных в

первичной полосе частот и передачу с помощью модулированного несущего колебания.

Первичная полоса частот определяется свойствами электрических импульсов, переносящих данные, она начинается с нуля и простирается до некоторого граничного значения.

Модулированное колебание образуется тогда, когда параметры несущего

колебания меняются под воздействием передаваемых данных. Такое колебание занимает, как правило, полосу частот от заданного нижнего до верхнего граничного

значения.

Некоторые сведения из теории спектров сигналов. Говоря о спектре сигнала,

часто понимают под этим представленные в графической форме распределения амплитуд и начальных фаз его гармонических составляющих (гармонических функций, из суммы которых этот сигнал мог бы быть составлен). Очень часто

ограничиваются лишь амплитудным спектром, дающим распределение амплитуд гармонических составляющих сигнала. Естественно, что в спектре гармонического колебания (рис. 1а) лишь одна компонента (рис. 1б), величина которой равна

амплитуде колебания, а положение которой на оси абсцисс (частота) определяется

значением, обратным периоду колебания.

Рис.1. Гармоническое колебание (а) и его спектр (б).

Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов имеет сложную структуру (рис. 2). Спектр является дискретным, его компоненты имеют

частоты, кратные основной частоте повторения импульсов. В начале координат находится постоянная составляющая последовательности импульсов. Огибающая

амплитуд имеет вид функции типа Sinc, точка первого нуля которой располагается на частоте, обратной длительности импульса. При скважности импульсов (отношении периода к длительности), равной трем, исчезает каждая третья

гармоника. Если бы скважность была бы равна двум, то в спектре остались бы лишь нечетные гармоники основной частоты.

2

Представление о спектре одиночного импульса можно получить на основе

следующих рассуждений. Чем больше период импульсов, тем ближе друг к другу находятся гармонические компоненты в спектре сигнала. Если период стремится к

бесконечности, то интервал между частотами составляющих стремится к нулю и

спектр превращается в сплошной (рис. 3). В этом случае говорят о спектральной плотности амплитуд сигнала.

Передача данных в первичной полосе частот . Хотя амплитуды

гармонических составляющих в спектре прямоугольных импульсов и угасают с ростом частоты (рис. 2, 3), этот спад довольно медленный (амплитуды убывают обратно пропорционально частоте). Для передачи таких импульсов без искажений

необходима бесконечная полоса частот канала связи. Для сравнительно малозаметных искажений граничное значение полосы частот должно быть во много раз больше величины, обратной длительности импульса. Однако все реальные

3

каналы имеют конечную полосу пропускания, что приводит к искажениям формы переданных импульсов. На рис. 4б, 4в показаны возможные формы импульсов на

выходе реальных каналов связи с различными частотными характеристиками.

импульса, поданного на вход (а), связанные с ограничением полосы пропускания

(б) и соответствующие искажения восстановленного импульса (в).

Наиболее неприятным результатом искажений импульсов в каналах связи является то, что переходный процесс от одного импульса обычно не завершается к моменту прихода следующего. Импульсы на выходе канала связи накладываются друг на

друга, искажаясь еще больше. Взаимные искажения, возникающие в результате наложения импульсов, называют межсимвольной интерференцией. Прямоугольный

импульс (рис. 5а), поданный на вход канала связи, в результате искажений, обусловленных ограниченностью полосы пропускания канала связи, и

межсимвольной интерференции может иметь на выходе максимальное значение, меньшее чем у входного импульса, что уменьшает отсчетное значение, повышает

4

чувствительность к шумам и помехам и увеличивает вероятность ошибки в определении отсчетного уровня (рис. 5б). Длительность выходного импульса,

оцениваемая на уровне половины максимального значения, также отклоняется от заданной величины (такие временные отклонения приводят к краевым искажениям

восстановленного импульса, показанным на рис. 5в).

Для оценки влияния межсимвольных искажений в случае передаваемых последовательностей двоичных знаков прибегают к глазковым диаграммам. Процесс построения глазковой диаграммы иллюстрируется на рис. 6. Выходной

сигнал (рис. 6а) соответствует длинной последовательности двоичных данных, передаваемых с интервалом времени T. Фиксируя сигналы на интервале от -T/2 до

T/2 при различных, но кратных T, смещениях принятого сигнала (рис. 6б-6г) и складывая их, можно получить временную диаграмму (рис. 6д). Увеличивая длину последовательности, составленной из самых разных сочетаний передаваемых двоичных знаков, можно получить полную глазковую диаграмму (рис. 6е).

По глазковой диаграмме можно определить вертикальное раскрытие глазка и связанное с ним максимальное отклонение значений принятого сигнала в моменты отсчета. Горизонтальное раскрытие глазка определяет краевые искажения.

5

Рис.6. Процесс получения глазковой диаграммы.

Искажения формы принятых импульсов, зафиксированные глазковой диаграммой, зависят как от граничной величины полосы частот канала связи и формы его частотной характеристики, так и от скорости передачи данных. Чем уже полоса и чем больше скорость передачи, тем больше искажения импульса.

6

Какие искажения признать допустимыми и какую установить скорость передачи данных зависит от требований, предъявляемых к системе связи, и от уровня помех

в канале связи. Если, например, принять, что для минимизации искажений полоса канала связи должна быть в 10 раз больше частоты первого нуля в амплитудном

спектре прямоугольного импульса (рис. 3), то за время T в полосе 10/T будет передан один двоичный знак. Можно ввести параметр «удельная скорость передачи данных», то есть скорость передачи данных в расчете на единицу полосы

частот. В приведенном примере она будет равна: R = 0,1(бит/с)/Гц, что является весьма малой величиной. Однако прямое увеличение частоты может привести к

значительным межсимвольным искажениям.

Условие Найквиста

Проблема повышения удельной скорости передачи данных была предметом

напряженных исследований. Можно, например, менять форму импульса, который ставится в соответствие передаваемому двоичному знаку. Для того, чтобы повысить скорость передачи можно потребовать, чтобы воздействие соседних

импульсов было сведено к нулю лишь в моменты отсчета значений принятого сигнала (0, T, 2T, 3T…). Это требование называется первым условием Найквиста.

Импульс, соответствующий этому условию, обеспечивает отсутствие межсимвольных искажений. Такой импульс известен, его форма приведена на рис.

7а. Если, например, в момент времени t=0 должен передаваться единичный двоичный символ, то в канал связи отправляется импульс g(t), показанный на рис. 7а. В моменты времени (0, T, 2T, 3T…) значения импульса равны нулю, следовательно, в эти моменты могут передаваться следующие двоичные знаки,

причем их прием не будет сопровождаться межсимвольной интерференцией.

Скорость передачи данных равна 1/T (бит/с).

Амплитудный спектр импульса, соответствующего первому условию Найквиста,

показан на рисунке рис. 7б. Ширина полосы частот, занимаемой этим импульсом, равна 1/2T (Гц). Таким образом, удельная скорость передачи данных равна RN=2(бит/с)/Гц. Это предел удельной скорости передачи данных с помощью двухпозиционных (двухуровневых) импульсов, называемый иногда "барьером

Найквиста".

Остается вопрос получения импульса, показанного на рис. 7а. Он

соответствует выходному сигналу идеального фильтра нижних частот, на вход которого подан прямоугольный импульс бесконечно малой длительности. Но идеальный фильтр нижних частот не реализуем, задержка

сигнала в нем была бы равна бесконечности. Даже если бы импульс в форме (рис. 7а) можно было бы сформировать, то его нельзя было бы использовать на

практике. Причину этого обстоятельства можно объяснить с использованием глазковой диаграммы. Вертикальное раскрытие глазка в случае использования импульсов, соответствующих первому условию Найквиста, равно максимальному,

что и означает отсутствие межсимвольных искажений. Однако горизонтальное раскрытие глазка стремится к нулю. При самом незначительном отклонении

моментов отсчета межсимвольные искажения становятся столь большими, что восстановление значений передаваемых данных невозможно. Значение условия

Найквиста и соответствующего ему импульса заключается в установлении эталона, к которому должны стремиться разработчики систем связи.

7

Рис.7. Форма выходного импульса идеального фильтра низких частот (а) и его амплитудный спектр (б).

1.2.Дифференциальный усилитель Черри-Купера.

Дифференциальный усилительный каскад с высоким коэффициентом усиления и большой полосой пропускания часто используется для обработки информационных сигналов. Чем лучше характеристики усилительной схемы, тем меньше искажений будет сопутствовать передаваемой и восстанавливаемой

информации.

Усилитель Черри-Купера представляет собой двухкаскадный дифференциальный усилитель (рис.8), имеющий высокий коэффициент усиления. В качестве нагрузки используются резисторы, но в них добавлены эмиттерные повторители, формирующие обратную связь между каскадами. Такая усилительная

ячейка отличается высокой рабочей частотой, поэтому обеспечивает идеальную

симметрию выходного импульса.

2.ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

2.1.Домашнее задание.

2.1.1.Провести расчет номиналов сопротивлений в схеме 2.1.2.При выполнении моделирования можно считать, что все

однотипные биполярные транзисторы идентичны.

2.2 Лабораторное задание

Подготовка к работе:

8

Подготовить к моделированию схемы идеального источника тока ref_ideal рис. 9, двухкаскадного дифференциального усилителя Черри-Купера (Cerry cell, рис.8), эмиттерного повторителя (emitterfollower, рис.10) и блок схему преобразователя информации рис. 11.

Вариации питания, температуры и основных технологических параметров должны быть во всех вариантах задания.

Работа в лаборатории:

2.2.1. Задание 1. Постоянное усиление, аналоговый режим.

1.Подготовить схему

2.Задать напряжение питания Vcc = 3.3 В.

3.Задать значение напряжения постоянного входного уровня Vcm= 0.1…0.15 В.

4.Задать значение амплитуды входного дифференциального сигнала Vin = 5- 10 мВ.

Выполнение работы:

1.Провести DC анализ работы схемы.

2.Провести расчет при подаче на входы последовательности двоичных данных, передаваемых с интервалом времени Т при различных и кратных Т смещениях (рис.5)

2.2.2. Задание 2. Постоянный перепад входного напряжения, цифровой режим.

1.Подготовить схему приведенную на рис.11, включая подсхемы, приведенные на рис.8-10.

2.Задать напряжение питания Vcc = 3.3В.

3.Задать значение напряжения постоянного входного уровня Vcm=0.11V.

4.Задать значение амплитуды входного сигнала Vin=0.11V.

Выполнение работы:

1. Провести DC анализ работы схемы.

Провести расчет схемы при учете технологического разбороса параметров транзиторов (Monte Carlo)

2.2.3. Задание 3. Провести частотный анализ работы схемы, построить АЧХ и ФЧХ, определить ширину полосы пропускания дифференциального усилителя.

9

По передаточной характеристике Uвых = f(Uвх) (DCанализ) задать рабочую точку (определить напряжение смещения в середине области переключения, в точке Ucм = Uвых = Uвх);

Включить последовательно источник смещения и источник переменного напряжения амплитудой 0,05 – 0,2В (АСанализ);

Получить зависимость Uout f . Определить значения AU, ωα, ωΤ;

Uin

Провести моделирование работы схемы для импульсного сигнала на входе с большой и малой амплитудой. Фронты сигнала менее 1 нс.

Оформление отчета

Отчет в тетради должен содержать:

-название работы;

-аналитические расчеты схем;

-распечатки результатов моделирования;

-выводы по работе.

ЛИТЕРАТУРА.

1.Константин Гласман. Методы передачи данных в цифровом телевидении.

Журнал «625», 1999, №5, с. 1.

2.Y.Greshishchev, P.Schvan. A 60-dB gain, 55-dB dynamic range, 10-Gb/s broad band SiGe HBT Limiting amplifier. IEEE J. SSC, v.34.#12. 1999, p.1914-1920.

10