مكبرات العزل Buffer Amplifier

يمكن أن يتسبب العزل الضعيف لناتج دائرة مذبذب في حدوث آثار عكسية، ومن مشكلات التطبيق الرئيسية المحيطة بدارات “VCO“، هي سحب الحمل ودفع الإمداد وضوضاء الطور وتأثيرات الطاقة المشعة من مضخمات الطاقة القريبة “PAs”، حيث أنّ استخدام المخزن المؤقت “VCO” لعزل المذبذب يخفف من هذه المشاكل، ويتم تقديم المخازن المؤقتة “MAX2472 / MAX2473 VCO” جنباً إلى جنب مع دائرة التطبيق وبيانات القياس.

ما هي مكبرات العزل Buffer Amplifier؟

مكبرات العزل “Buffer Amplifier”: هو مضخم كسب الوحدة معبأ في دائرة متكاملة، وتتمثل وظيفتها في توفير قدرة محرك كافية لتمرير الإشارات أو بتات البيانات إلى مرحلة تالية، كما تعمل مخازن الجهد على زيادة التيار المتاح لمدخلات مقاومة منخفضة مع الاحتفاظ بمستوى الجهد.

تقوم مكبرات العزل الحالية بالعكس تماماً، مع الحفاظ على التيار كما هو أثناء قيادة مدخلات مقاومة عالية عند مستويات جهد أعلى، وفي كلتا الحالتين يحمي مكبرات العزل وإناتج جهاز الإمداد مع توفير إشارة قوية بما فيه الكفاية إلى المرحلة التالية، وبعض مخازن البيانات ثنائية الاتجاه ممّا يسمح للبيانات بالمرور في أي اتجاه، والبعض الآخر عبارة عن أجهزة ثلاثية الحالة ذات حالة معطلة تمكن العديد من مخرجات الجهاز من الاتصال بنفس الإدخال.

• “VCO” هي اختصار لـ “Voltage-Controlled Oscillators”.

• “PAs” هي اختصار لـ “power amplifiers”.

أساسيات مكبرات العزل Buffer Amplifier:

تتمثل ممارسة التصميم الشائعة في عزل مرحلتين من الدوائر عن طريق إدخال مكبر للصوت العازلة بينهما، وتقلل العزلة من العديد من التأثيرات الضارة وعلى ترددات الراديو “RF”، كما يمكن أن يؤدي عزل الناتج الضعيف إلى اضطراب أداء المذبذب، لذلك غالباً ما يتم تضمين مرحلة مكبر العزل في مخرجات المذبذب.

قبل إضافة مرحلة مضخم المخزن المؤقت يتم أخذ في الاعتبار بعض خصائص “VCO” النموذجية وكيف يمكن أن تؤدي مشاكل العزلة إلى تدهور الأداء، والمشكلة الشائعة هي تغيير التردد الذي يظهره “VCO” استجابةً لظروف التحميل المتغيرة أي سحب التردد، كما يمكن أن يؤدي التغيير في المعاوقة التي يراها ناتج “VCO” إلى إحداث تغييرات في جهد التيار المستمر عبر تقاطعات جهاز “VCO” النشط.

كما يؤثر التغيير في الجهد من المجمع إلى القاعدة “Vcb” لجهاز ثنائي القطب على سبيل المثال على السعة من المجمع إلى القاعدة “Ccb”، والتي بدورها يمكن أن تغير تردد التذبذب من خلال التأثير على رنين الخزان الكلي.

ويُشار أحياناً إلى ظاهرة أخرى لسحب التردد باسم قفل الحقن أو سحب الحقن، ويتعلق بتأثير إشارة تداخل قريبة جداً من تردد تشغيل “VCO”، وعندما تكون سعة مسبب التداخل في منفذ إخراج “VCO” كافية يمكن أن يتسبب ذلك في قيام “VCO” بتحويل تردد التذبذب الخاص به لمطابقة تردد التداخل.

عامل الأداء الرئيسي الآخر الذي يتأثر بعزل الناتج الضعيف هو ضوضاء الطور، وتم إجراء الكثير من الأبحاث لوصف توليد ضوضاء الطور في المذبذبات بشكل أفضل، وتشمل الظروف التي تنتج ضوضاء الطور التغييرات في مقاومة الحمل وانعكاسات القدرة إلى ناتج “VCO” والتيار الأرضي المفرط، والاقتران المشع بسبب تخطيط التردد اللاسلكي السيئ، كما يمكن أن تسبب تغيرات الجهد المستحث تقلبات تيار متحيز في الجهاز النشط وتأثير تعديل على “Ccb” واضطرابات في السعة.

يعتمد عزل “VCO” المناسب على تخطيط اللوحة وما إذا كان “VCO” منفصلاً أو متكاملاً أو معيارياً، كما يمكن أن تتعطل عملية “VCO” بواسطة أي طاقة “RF” مشعة مقترنة بـ “VCO”، ويمكن إقران الطاقة مباشرةً بـ “VCO” أو عبر دوائر أو آثار أخرى متصلة بـ “VCO”، وحتى آثار الدوائر غير الموصلة التي تعمل بالقرب من “VCO” يمكن أن تكون بمثابة هوائيات تلتقط الطاقة المشعة وتعيد إشعاعها إلى “VCO”.

يمكن أن يكون أحد أسباب التدهور الذي تم إجراؤه هو تشغيل أو إيقاف تشغيل مضخم القدرة “RF”، ممّا قد يتسبب في تغيير المعاوقة في مسار الإشارة أو في الدوائر الأخرى، وبالتالي التقاط طاقة “RF” المشعة وإعادة توصيلها عبر مسار الإشارة، ويُساعد تخطيط الكمبيوتر الشخصي الجيد على تقليل الاضطرابات المشعة والموجودة في “VCO”، ويمكن أن يؤثر التأريض والدرع وتوجيه الآثار بالقرب من “VCO” على تشغيل “VCO”، بالإضافة إلى مقدار العزل الذي يمكن أن تحققه دائرة “VCO” العازلة.

يمكن أن يؤدي عزل الناتج الضعيف إلى انخفاض وقت قفل “PLL” عندما تصل الإشارة المنعكسة إلى “VCO”، وقد يكون من الضروري عزل مدخل كاشف الطور من المستقبل أو المرسل للتخفيف من هذه المشكلة، ويمكن أن تؤدي زيادة ضوضاء الطور أيضاً إلى تدهور حماية القناة المجاورة في وضع الإرسال أو الاستقبال، ويمكن أيضاُ أن يكون تشويه التعديل أثناء عملية الإرسال ناتجاً عن ضعف عزل “VCO”.

• “PLL” هي اختصار لـ “phase-locked loop”.

• “RF” هي اختصار لـ “radio frequency”.

تحديد النطاق الديناميكي في مكبرات العزل:

تُعد حساسية جهاز الاستقبال أحد مكونات النطاق الديناميكي للنظام تحدد الحساسية الحد الأدنى لمستوى الإشارة الذي يسمح للمستقبل باستعادة المعلومات المرسلة بنجاح، والطرف العلوي من النطاق الديناميكي هو الحد الأقصى للإشارة التي يمكن معالجتها، ويتم تحديد هذا عادةً بواسطة نقطة التقاطع من الدرجة الثالثة “IP3″، وهو رقم وهمي يحدد النقطة التي سيتم فيها تحميل مكونات الواجهة الأمامية للمستقبل أو تشبعها بالضغط.

النطاق الديناميكي هو حل وسط لأنّ الحساسية العالية تتطلب رقم ضوضاء منخفض وكسب مرتفع، إلّا إنّ مكبرات الصوت منخفضة الضوضاء “LNAs” مع مكاسب تبلغ “30 ديسيبل” أو أكثر وأرقام ضوضاء أقل من “2 ديسيبل” محدودة في أداء التقاطع من الدرجة الثالثة، وغالباً بقيم “+ 10 ديسيبل” إلى “+ 15 ديسيبل” وبالتالي يمكن لهذه المضخمات أن تزيد من حساسية المستقبل، ولكنّها تصبح ضيقة للإشارات عالية المستوى في سلسلة معالجة الإشارة الأمامية للمستقبل.

تؤدي إضافة “ADC” إلى الواجهة الأمامية لجهاز الاستقبال إلى أن تصبح المقايضة للنطاق الديناميكي أكثر تعقيداً، ومع ذلك يمكن للمضخمات الخطية الأحدث ذات التحكم الرقمي والتي يُشار إليها غالباً باسم مضخمات المخزن المؤقت، أن تساعد في تحسين الأداء الكلي للمستقبل بالإضافة إلى توسيع النطاق الديناميكي، حيث استخدمت الواجهات الأمامية التقليدية للمستقبل عدة مراحل من تحويل التردد لترجمة الإشارات عالية التردد من هوائي إلى إشارات “IF” منخفضة يمكن إزالتها ومعالجتها بشكل أكبر.

وقد تقوم سلاسل الإشارات النموذجية بترجمة إشارات إدخال التردد اللاسلكي إلى “IF” أول من “70 ميجاهرتز” أو “140 ميجاهرتز”، و”IF” الثاني من “10 ميجاهرتز” و”IF” ثالث من “455 كيلو هرتز”، وعلى الرغم من أنّ نهج المستقبل الفائق التغاير متعدد التحويل لا يزال واسع الانتشار، إلّا أنّ قيود التكلفة والحجم لأنظمة الاتصالات الحديثة قد ضغطت على المصممين للتخلص من أكبر عدد ممكن من مراحل تحويل التردد.

تحسنت مستويات أداء “ADC “بشكل كبير خلال السنوات العديدة الماضية ولكن ليس لدرجة دعم جهاز الاستقبال العسكري الرقمي بالكامل، ومع ذلك تم تقليص تصميمات المستقبِلات التجارية من ثلاث أو أكثر من مراحل تحويل التردد إلى معمارية أحادية المرحلة، ومع ذلك تؤدي مراحل تحويل التردد الأقل إلى “IF” مرتفع نسبياً عند إدخال “ADC” ممّا يتطلب محولاً ومكبراً مؤقتاً مع عرض نطاق ترددي مناسب.

تعتمد دقة البت المطلوبة لـ “ADC” على تطبيق جهاز الاستقبال، وبالنسبة لبعض التطبيقات العسكرية مثل مستقبلات النشاط، يوفر التكميم “10 بت” دقة مناسبة، وبالنسبة لمستقبلات الاتصالات التجارية الحالية والناشئة مثل الأنظمة الخلوية من الجيل الثالث والرابع، هناك حاجة إلى دقة أفضل لتقليل أخطاء التكميم على أشكال الموجة مع تنسيقات التعديل المعقدة والطورية والسعة، وعادةً ما تكون الدقة “14 بت” أو أعلى مطلوبة لأجهزة الاستقبال متعددة الموجات الحاملة، جنباً إلى جنب مع عرض نطاق كافٍ لقبول نطاق “IF” الكامل.

• “IF” هي اختصار لـ “intermediate frequency”.

• “ADC” هي اختصار لـ “Analog to Digital Converter”.

• “IP3” هي اختصار لـ “Third Order Intercept Point”.

• “LNAs” هي اختصار لـ “Low-Noise Amplifier”.