VGA-Funktionsblöcke Variable-Gain-Amplifier-Lösungen für verschiedene analoge Frontends

Autor / Redakteur: Albert Fischer, Hooman Hashemi * / Kristin Rinortner

Analoge Informationen werden im Front-End durch unterschiedliche Verstärkung angepasst. In modernen Geräten der Medizin-, Video- oder Kfz-Technik reicht ein System mit fest eingestellter Verstärkung hierfür jedoch nicht mehr aus. Derartige Anwendungen profitieren von Variable-Gain-Amplifier- (VGA) Funktionsblöcken.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Der Empfang von analogen Informationen durch elektri-sche Impulse, Wellenformen oder modulierte Signale wird oft durch unerwünschte Einflüsse von physikalischen Faktoren wie zum Beispiel Laufzeitfehler, Skin-Effekte, Kupferverluste oder Reflexionen beeinflusst. Die Folge sind wechselnde Empfangs-bedingungen, die vom analogen Front-End durch unterschiedliche Verstärkung angepasst werden müssen.

Sollen die Anforderungen verschiedener Applikationen erfüllt werden, reicht ein System mit fest eingestellter Verstärkung deshalb nicht mehr aus. Dass sich die Systemanforderungen in den letzten Jahren so rasch geändert haben, liegt an den erheblich gestiegenen Qualitäts und Genauigkeits-Erwartungen. Deutlich wird dies beispielsweise an medizinischen Systemen, an Präzisionswerkzeugmaschinen und an Video-Ausrüstungen für den privaten und professionellen Einsatz, bei denen die Anforderungen durch die zunehmende Grafikauflösung gewachsen sind.

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Hohe Anforderungen an Qualität und Genauigkeit

Ein typisches Beispiel da-für sind Ultraschall-Geräte, mit denen sich Bilder von Teilen des Körpers oder bestimmten Organen auf-nehmen lassen, indem man die betreffenden Bereiche mit elektrischen Signalen, die in Ultraschallwellen umge-wandelt werden, stimuliert. Die Fähigkeit, aussagefähige und präzise Bilder der abgetasteten Zonen aufzuzeich-nen, hängt von der Empfind-lichkeit des Empfangsteils für ein breites Spektrum analoger Signalamplituden ab.

Die gleiche Qualitätssteigerung wird auch von den heutigen analogen Videoformaten wie z.B. DTV, SVGA oder UXGA verlangt, wenn diese auf Koaxial oder Twisted-Pair-Kabeln (Cat-5) mit Längen bis zu einigen hundert Metern übertragen werden sollen. Bei Übertragungen dieser Art werden hohe Frequenzen gedämpft, wobei die Verluste mit zunehmender Kabellänge und Zeilenauflösung ansteigen. In Tabelle 1 sind die Anforderungen verschiedener Videoauflösungen an die Bandbreite und die Anstiegsgeschwindigkeit wiedergegeben (basierend auf einer Signalamplitude von 2 Vpp).

Viele weitere Beispiele finden sich in radarbasierten Spurkontroll- oder Kollisionsvermeidungs-Systemen für Kraftfahrzeuge, bei der Instrumenten-Inspektion oder in Durchflussmessern auf Ultraschall-Basis. Diese Anwendungen profitieren von einem als Variable Gain Amplifier (VGA) bezeichneten Funktionsblock, also einem Verstärker mit variabler Verstärkung.

Bei der Auswahl eines VGA auf den Verstärkungsbereich achten

Der erste Parameter, auf den bei der Auswahl eines VGA geachtet werden sollte, ist der Verstärkungsbereich. Gemeinsam mit dem ein- und ausgangsseitigen Leis-tungsbereich und dem Eigenrauschen bestimmt er die Dynamik des Bausteins. Der variable Gain-Verstärker LMH6504 von National bietet einen Verstärkungsbereich von 80 dB bei einer maximalen Verstärkung Av von +10 für Frequenzen bis 10 MHz bzw. von 45 dB bei 100 MHz. Bei großen Bandbreiten und hohen Anstiegs-geschwindigkeiten kommt es auf die Eingangssignal- und Verstärkungsregelungs-Bandbreite an. Beide bestimmen einerseits die maximale Frequenz-Komponente, die die Front-End-Stufe mit einer vorgegebenen Dämpfung passieren kann (150 MHz bei -3 dB, 40 MHz bei -0,2 dB) und andererseits, wie schnell das Fehlersignal in einer Verstärkerregelungs-Schleife geregelt und verstärkt werden kann.

Parameter bei der Auwahl des richtigen VGA

Eingangssignale, die kei-nen rein sinusförmigen, sondern einen rechteckigen Verlauf haben, weisen stets einen gewissen Gehalt an Oberschwingungen auf. Die System-Bandbreite muss deshalb für diese Oberschwingungen definiert werden. Eine rasche Abschätzung ist mit der Formel BW = 0,35/tr möglich. Darin ist BW die erforderliche Bandbreite, während tr die Impuls-Anstiegsgeschwindigkeit von 10 % auf 90 % angibt. Im Zeitbereich betrachtet ist bei starken Span-nungsänderungen mit kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten im Bereich von wenigen Nanosekunden die Anstiegsgeschwindigkeit das Indiz dafür, wie schnell ein Verstärker auf Änderungen des Eingangssignals reagieren kann. Andere VGAs von National Semiconductor, wie der LMH6502 und der LMH6503, erreichen Anstiegsgeschwindigkeiten von 1.800 V/µs bei Spannungssprüngen bis zu 4 V und mit einem Gesamtklirrfaktor von etwa -60 dBc (bei 20 MHz).

Videosignal über sehr lange Cat-5-Kabel übertragen

Als Beispiel soll die Verwendung eines VGA als Ka-bel-Equalizer zum Optimieren der Signalintegrität bei der Übertragung von Video-daten betrachtet werden. Zunächst ist das anvisierte Übertragungsmedium zu untersuchen. Man erstellt dazu ein Diagramm der Kabeldämpfung als Funktion der Frequenz – skaliert für die maximal benötigte Länge. Während man für professionelles Studio-Equipment die anspruchsvollen und hochwertigen, dafür aber teuren Koaxialkabel verwendet, schließt man dezentrale Applikationen wie KVM (Keyboard, Video, Mouse), Prozesssteuerungen oder Überwachungskameras mit kostengünstigeren, geschirmten oder ungeschirmten Twisted-Pair-Kabeln (STP/UTP) der Kategorie 5 (Cat 5) an. Die Daten für dieses Diagramm können vom jeweiligen Kabelhersteller bezogen werden. In Bild 1 sind verschiedene Charakteristika eines häufig verwendeten Kabeltyps (UTP) wie-dergegeben.

Während bei 0 Hz alle Kabel einwandfreie Eigenschaften zeigen, nimmt die Dämpfung mit wachsender Frequenz zu. Die wichtigste Information, die dem Diagramm entnommen werden kann, ist die insgesamt zu beobachtende Dämpfungs-Änderung im interessierenden Frequenzbereich. Kompensieren lassen sich die beschriebenen Verluste, indem man die Übertragungsfunktion des Systems mit Pol- und Nullstellen versieht. Ein solches System erster bis höherer Ordnung kann mit parallel geschalteten RC-Kombinationen zum verstärkungsbestimmenden Widerstand RG des LMH650x konfiguriert werden, um den Frequenzgang wie gewünscht zu formen. Die Variable-Gain-Steuerspannung wiederum kann nun zur Anpassung an unterschiedliche Kabellängen bei gleicher Kabel-Charakteristik (z.B. Impedanz, Isolierstoff usw.) oder zum Erreichen höherer Maximalfrequenzen (d.h. für Videosignale mit höherer Auflösung) verwendet werden.

Design von Single-Ended-Leitungsempfängern

Bild 3 stellt eine typische Equalizer-(Entzerrer) Applikation auf der Basis eines Variable-Gain-Verstärkers dar. Das verstärkungsbestimmende Netzwerk imp-lementiert eine Reihe von Null-/Polstellen-Paaren, die sich so anordnen lassen, dass die typische 1/Af-Dämpfungscharakteristik langer Koax- und Cat-5-Kabel genau ausgeglichen wird.

Bei niedrigen Frequenzen wird die Frequenz ausschließlich durch RG be-timmt. Die Widerstands- und Kapazitätswerte sind dabei so gewählt, dass C1 und C2 nacheinander ‚kurzgeschlossen‘ werden und die Verstärkung langsam ansteigt, indem eine abnehmende Impedanz parallel zu RG geschaltet wird. Mit zusätzlichen RC-Paaren lässt sich der Verstärkungsverlauf weiter optimieren.

In Bild 4 ist das Bode-Diagramm zum Frequenz-gang der Schaltung (mit Ausnahme des Nachverstär-kers LMH6714) gemeinsam mit den Gleichungen zum Ermitteln der Pol- und Null-stellen-Frequenzen dargestellt. Die angegebenen Wer-te beziehen sich auf die maximale Verstärkung des VGA (Vg = Vg_max).

Bild 2 gibt die Gesamt-Kabelverluste für ein 70 m langes Cat-5-Kabel und den resultierenden Frequenzgang nach Entzerrung durch die Schaltung aus Bild 3 wieder („70 m + 6503_Vg = 0,74 V” bezieht sich auf die optimier-te Entzerrung, während sich „70 m+6503_Vgmax = 1,2 V” auf die maximal mögliche Entzerrung bezieht). Für die angegebene Dimensionie-rung der Bauelemente hat sich erwiesen, dass VG = 0,74 V das beste Resultat liefert. Es zeigte sich, dass das System bei Frequenzen unter 20 MHz die Verluste durch das 70 m lange Kabel mit einer Toleranz von ±2 dB kompensiert. Dies kann als gute Korrektur für NTSC-, PAL- und VGA- (Video Graphics Array) Videosignale angesehen werden.

Mit der Lösung ist eine Pegelanhebung um bis zu 20 dB möglich. Oberhalb dieses Levels wird dagegen die Bandbreite knapp. Wie bereits erwähnt, kann mit der Schaltung auch bei höheren Frequenzen bis zu circa 100 MHz eine hohe Leistungsfähigkeit erreicht werden, wenn entweder kürzere Kabel oder verlustärmere Koaxkabel zum Einsatz kommen. Ebenso besteht die Möglichkeit, mehrere LMH6503-Bausteine zu verwenden, um die Verluste bei hohen und niedrigen Frequenzen getrennt zu behandeln. Hierzu werden zwei VGAs hintereinander geschaltet (kaskadiert).

Leistungsfähigkeit bei hohen Frequenzen

In der Schaltung aus Bild 3 wird der maximale Strom IRGmax im verstärkungsbestimmenden Netzwerk durch die Minimal-Impedanz Zmin= RG || (R1+1/sC1) || (R2+ 1/sC2) bestimmt, die für die höchsten Frequenzanteile im Sig-nal ausgerechnet werden. Es ist darauf zu achten, dass IRGmax beim Anlegen eines hochfrequenten Eingangssignals nicht überschritten wird. Wird beispielsweise an die Schaltung aus Bild 3 ein standardmäßiges, analoges NTSC- oder PAL-Videosignal mit einem maximalen Oberschwingungsgehalt von ca, 3,3 MHz angelegt, ist Zmin = Zmin P 510 V || (91 V +179 V) || (98 V + 193 V) = 132 V (unter Vernachlässigung der Kondensator-Admittanz).

Bei der Übertragung eines Signals mit einer Amplitude von 0,7 Vpp über das gleiche 70 m lange Cat-5-Kabel würde die höchste Oberschwingung um etwa 6 dB abgeschwächt (Bild 2). Somit liegen an Zmin nur etwa 350 mV. Der entsprechende Strom, der von den Pins 4 und 5 des LMH6503 geliefert werden müsste, würde damit IRG_max = 350 mV/Zmin = 2,65 mA betragen. Dieser Wert ist somit nur geringfügig höher als der typische Wert des LMH6503.

Wenn der IRG_max-Wert des LMH6503 überschritten wird, kann die Hochfrequenz-Verstärkung des Bausteins etwas geringer ausfallen als nach den Gleichungen in Bild 4 zu erwarten wäre.

Der in Bild 3 gezeigte Nachverstärker LMH6714 ist notwendig, um die Gesamtverstärkung anzupassen.

* Albert Fischer und Hooman Hashemi sind Applikationsingenieure bei National Semiconductor, Fürstenfeldbruck.

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