Sonda logarytmiczna z układem AD8307 (1)

Prezentowany tutaj projekt sondy logarytmicznej jest rozwiniętą i znacznie ulepszoną wersją projektu prostej (ekonomicznej) poprzedniczki, zaprezentowanej w „Elektronice Praktycznej” 8/2017 (kit AVT1962), w której niemal całe przetwarzanie w torze sygnałowym zostało oparte na tanich elementach dyskretnych. Nowa odsłona sondy bazuje na specjalistycznym układzie scalonym AD8307 produkcji firmy Analog Devices i jest przystosowana do współpracy z generatorem-wobulatorem: AVT5580 (EP 2…4/2017) oraz jego nowszą wersją AVT5980 (EP 4…6/2023).

Zastosowanie i właściwości przyrządu

Jak wspomniano we wstępie do artykułu, opisana tutaj sonda logarytmiczna jest przyrządem przeznaczonym do bezpośredniego pomiaru napięć oraz pośredniego pomiaru prądów i mocy w obwodach prądów zmiennych w szerokim zakresie częstotliwości i o znacznej dynamice. W szczególności, przy włączeniu do pomiarów dodatkowo generatora-wobulatora i oscyloskopu z funkcjonalnością pracy w trybie XY można również analizować charakterystyki częstotliwościowe badanych czwórników. Motywacją do realizacji nowego projektu była chęć uzyskania parametrów użytkowych istotnie lepszych niż w przypadku stosunkowo nieskomplikowanej sondy logarytmicznej AVT1962. Efekt ten osiągnięto przede wszystkim dzięki zastosowaniu specjalizowanego układu AD8307, zapewniającego znacznie szerszy zakres dynamiki i pasma częstotliwości dla mierzonych sygnałów, przy całkiem niezłej dokładności przetwarzania logarytmicznego. 

Obok głównego pomiarowego bloku przyrządu, opartego o układ AD8307 wraz z dwoma potencjometrami przeznaczonymi do regulacji charakterystyki przetwarzania, w urządzeniu można wyróżnić: blok zasilania (z multiwibratorem astabilnym oraz z przetwornicą pojemnościową w układzie podwajającym napięcie), blok precyzyjnego stabilizatora regulowanego, blok wejściowy z dwoma opcjonalnymi tłumikami (wybieranymi zworkami) oraz blok wzmacniaczy wyjściowych. Zanim jednak przejdziemy do szczegółowego omówienia wymienionych fragmentów układu, warto zapoznać się bliżej z właściwościami układu AD8307.

Właściwości i aplikacje układu AD8307

W tym rozdziale skorzystano przede wszystkim z informacji zawartych w karcie katalogowej układu AD8307. Producent zdefiniował tę kostkę jako niskokosztowy, kompletny, wielostopniowy wzmacniacz logarytmiczny o zakresie dynamiki przetwarzania równym 92 dB, tj. od –75 dBm do +17 dBm – z możliwością obniżenia progu czułości aż do –90 dBm przy zastosowaniu odpowiedniego układu dopasowującego (przedwzmacniacza wstępnego). Układ AD8307 zawiera w pełni różnicową ścieżkę sygnału ze sprzężeniem prądu stałego. Dzięki temu, ze względu na symetryczny charakter odpowiedzi układu, piny INM (nr 1) oraz INP (nr 8) mogą być używane zamiennie: jako gorący – albo podłączony do masy (dla składowej zmiennej). Rezystancja wejściowa Rin, mierzona pomiędzy pinami INM oraz INP dla składowej stałej, wynosi Rin=1,1 kΩ. Typowe aplikacje układu AD8307, jako konwertera poziomu sygnału na postać decybelową, to m.in.: pomiar mocy emitowanej do anteny przez nadajnik radiokomunikacyjny, wskaźnik siły sygnału odbieranego przez odbiornik (RSSI), niedrogi przetwornik sygnałów radarowych i sonarowych, a także przetwornik logarytmiczny w wektorowych analizatorach obwodów zmiennoprądowych (VNA) i w analizatorach widma (o zakresie pomiaru do 120 dB). Warto podkreślić także możliwość zastosowania układu AD8307 do określania poziomu sygnałów zmiennych o częstotliwościach poniżej 20 Hz, co predestynuje tę kostkę do aplikacji w multimetrach z pomiarem napięć i prądów zmiennych w trybie „True RMS”.

Układ scalony AD8307 jest jednym z pierwszych monolitycznych wzmacniaczy logarytmicznych dostępnych na rynku. Przetwarzanie logarytmiczne jest w nim oparte o technikę wieloetapowej, progresywnej kompresji z sukcesywnym wykrywaniem poziomu sygnału, zapewniającym podstawowy zakres dynamiczny aż do 92 dB (przy błędzie przetwarzania nieprzekraczającym ±3 dB) lub do 88 dB (przy błędzie przetwarzania nieprzekraczającym – zaledwie – ±1 dB), przy częstotliwościach mierzonych sygnałów sięgających do 100 MHz. Ten fakt – w zestawieniu z niewygórowaną ceną w sprzedaży detalicznej – sprawia, że układ doskonale wpasowuje się we wszelkie zastosowania radioamatorskie, szczególnie krótkofalarskie. Układ AD8307 uchodzi za bardzo stabilny i łatwy w implementacji – w podstawowym zastosowaniu wymaga tylko kilku biernych elementów zewnętrznych, bez jakichkolwiek podzespołów regulacyjnych. Jest dostępny zarówno w obudowie DIP-8, przeznaczonej do ręcznego montażu THT, jak i w obudowie SOIC-8, przeznaczonej do montażu powierzchniowego SMT.

Układ scalony AD8307 jest zasilany pojedynczym napięciem w zakresie od 2,7 V do 5,5 V (7,5 V max.), przy typowym natężeniu prądu zasilania równym 7,5 mA, a dopuszczalny zakres temperatur jego pracy mieści się w przedziale od –40 do +85°C. Deklarowany czas włączenia zasilania układu po przejściu pinu ENB (nr  6) ze stanu niskiego do wysokiego wynosi 100 ns, natomiast prąd uśpienia jest rzędu 150 μA. Zgodnie z deklaracjami producenta, omawiany przetwornik logarytmiczny umożliwia pracę w pasmie od 0 Hz (sygnały stałoprądowe) aż do 500 MHz z zachowaniem liniowości przetwarzania nie gorszej niż ±1 dB, co w większości popularnych (a zwłaszcza amatorskich) zastosowań pomiarowych wydaje się wysoko satysfakcjonującą wartością. Nominalne wartości (tzn. bez zewnętrznej regulacji dołączonymi potencjometrami) parametrów charakterystyki przetwarzania: nachylenia oraz lokalizacji teoretycznego punktu przecięcia z osią OX (tzn. nieosiąganego w praktyce, gdyż Uwy przetwornika nigdy nie wynosi dokładnie 0 V) wynoszą odpowiednio: 25 mV/dB oraz –84 dBm. Producent podkreśla znaczną odporność na zmiany temperatury otoczenia, a także dobrą stabilność temperaturową charakterystyk przetwarzania: Vout w funkcji poziomu wejściowego oraz logarytmicznej dokładności przetwarzania w funkcji poziomu wejściowego [dBm] – w temperaturach −40, +25 oraz +85°C. Podobnie jest w przypadku wrażliwości charakterystyk przetwarzania na częstotliwość mierzonego sygnału: Vout w funkcji poziomu wejściowego oraz logarytmicznej dokładności przetwarzania w funkcji poziomu wejściowego [dBm] przy częstotliwości 10, 100 oraz 500 MHz. Jest ona znikoma praktycznie aż do około 100 MHz (producent deklaruje użyteczność aplikacyjną układu aż do częstotliwości rzędu 500 MHz, jednak należy mieć pełną świadomość faktu, że jej uzyskanie będzie możliwe jedynie przy bardzo przemyślanej realizacji projektu PCB i to najlepiej wyłącznie w technologii SMD). Wymienione właściwości, szczególnie w przypadku niedrogiego, popularnego układu scalonego, obecnego na rynku już od około 20 lat, należy uznać za istotne zalety tego produktu.

Sercem układu AD8307 jest sześć stopni wzmacniaczy-ograniczników oraz powiązanych z nimi detektorów poziomów i sumator wyjściowego sygnału prądowego. Każdy z wymienionych wzmacniaczy ma wzmocnienie 14,3 dB i pasmo przenoszenia 900 MHz, natomiast całkowite wzmocnienie tego bloku wynosi około 86 dB przy szerokości pasma –3 dB równym 500 MHz. Różnicowe wyjścia prądowe detektorów są sumowane, a następnie przekształcane na wyjście (także prądowe), nominalnie wyskalowane na 2 μA/dB. Logarytmiczne napięcie wyjściowe jest uzyskiwane na drodze przeniesienia prądu z wyjścia sumatora, poprzez wbudowane lustro prądowe, do wewnętrznego rezystora 12,5 kΩ, co daje logarytmiczne nachylenie charakterystyki przenoszenia równe około 25 mV/dB, czyli 500 mV na dekadę. Napięcie to jest wyprowadzone na pinie OUT (nr 4) układu AD8307 – warto dodać, że nie jest ono buforowane, co pozwala na zastosowanie różnych interfejsów wyjściowych, w tym rezystancji korygującej nachylenie charakterystyki przenoszenia, a także filtru podemodulacyjnego i/lub wzmacniacza wyjściowego. Ostatni stopień detektora pełni także funkcję korekcji temperaturowej charakterystyki przetwarzania logarytmicznego.