\chapter{Simulace převodníků}
Při simulacích převodníků budou testována všechna zapojení, aby mohla být vybrána nejvhodnější varianta převodníků U/Idif a~Idif/U. Všechny převodníky uvedené v~dalších částech práce byly navrhnuty tak, aby při spojení převodníku napětí na diferenční proudy a převodníku diferenčního proudu na jednoduché napětí vznikl jednotkový přenos a~nedošlo tak k~zesílení nebo zeslabení měřeného signálu. Převodníky byly simulovány až do hodnoty kmitočtu 5~GHz, ovšem průběhy signálů nad hodnotou 1~GHz už jsou pouze informativní. Platí tak, že průběhy nad touto hodnotu naznačují, jak by vypadala skutečná měření při nižší šířce pásma. U převodníků, kde se převádí z nesymetrického signálu na symetrický byla použita u~názvů jednotlivých obvodů písmena A nebo B, která značí průběh signálů na jednotlivých větvích toho daného diferenčního zapojení. K~simulacím byl využit program OrCad~[23] ve verzi 10.3 a~modely aktivních prvků dostupné na webových stránkách výrobců. U~každého z~převodníků byly nejen střídány dostupné aktivní prvky, ale i~sledován vliv hodnot pasivních součástek. Všechny hodnoty šířky pásma u~převodníků na diferenční signály jsou uváděny pro horší (nižší hodnotu) větev z~výsledného diferenčního signálu. 

\section{Převodník napětí na proud s prvkem OTA}
Tento převodník napětí na proud je testován s transkonduktančními zesilovači \newline (OTA) od firmy Texas Instruments. Schéma zapojení tohoto převodníku se nachází v~kapitole 4.1.3 na Obr. 4.5. V~tabulce 6.1 nalezneme výsledné hodnoty obdržené šířky pásma jednotlivých obvodů, hodnoty rezistorů a kapacitorů, jež byly při tomto zapojení použity. Na Obr. 6.1 a 6.2 je znázorněn průběh modulové a~fázové charakteristiky, které byly při simulacích.

\begin{table}[!ht]
  \caption{Tabulka hodnot pro převodník napětí na proud s prvkem OTA.}
  \begin{center}
  	\small
	  \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
	    \hline
	    Obvod    						& Re[$\Omega$]	 	& Šířka pásma modulu přenosu [MHz]  \\
	    \hline
	    OPA615							& $900	$ 	& 572 \\
	    \hline
	    OPA860					 		& $1000	$ 	& 2000 \\
	    \hline
	    OPA861							& $1000	$		& 2000 \\
	    \hline
	  \end{tabular}
  \end{center}
\end{table}


\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/OTA}
  \end{center}
  \caption{Modulová charakteristika převodníku U/I s různými prvky OTA.}
\end{figure}\
\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/3xOTA_faze}
  \end{center}
  \caption{Fázová charakteristika převodníku U/I s různými prvky OTA.}
\end{figure}
\newpage
Z~grafu modulové charakteristiky je patrné, že signály průběhů jednotlivých obvodů začínají na přenosu -60~dB, tato hodnota neznačí útlum, nýbrž je důsledkem nastaveného převodníku, kdy např. z~1~V vstupního napětí vznikne 1~mA,což bez dalších úprav značí právě útlum 60~dB. Z~grafů dále můžeme vyčíst naprosto stejné průběhy obvodů OPA860 a~OPA861 a~to proto, že tyto obvody jsou naprosto stejné, jen obvod OPA860 obsahuje navíc buffer. Hodnoty šířky pásma byly u~obvodů OPA860 a~OPA861 někde okolo 2~GHz, což je více než bylo očekáváno. Samozřejmě, že v~reálném zapojení by tato hodnota byla o~dosti nižší. Fázová šířka pásma byla pro tyto obvody v~hodnotách 381~MHz. Pro obvod OPA615 byla modulová šířka pásma o~něco menší, konkrétně 572~MHz a~fázově 164~MHz. Pro další zapojení jednotlivých převodníků byly proto vybrány obvody OPA860 a~OPA861.\

\section{Převodník napětí na diferenční proud se dvěma prvky OTA}
Tento převodník pracuje se dvěma aktivními prvky OTA, díky kterým vytvářejí z~jednoduchého napětí diferenční proudy. Toto zapojení se nachází v~kapitole 4.1.1 na Obr. 4.1. V tabulce 6.2 jsou uvedeny dva transkonduktanční zesilovače, a~to z~toho důvodu, že obvody OPA861 a~OPA860 mají totožné parametry, tudíž i~stejné průběhy, proto stačí simulovat pouze jeden z~nich.

\begin{table}[!ht]
  \caption{Tabulka hodnot pro převodník U/Idif se dvěma prvky OTA.}
  \begin{center}
  	\small
	  \begin{tabular}{|c|c|c|}
	    \hline
	    Obvod    						& R[$\Omega$]	 	& Šířka pásma modulu přenosu [MHz]  \\
	    \hline
	    OPA615							& $800	$ 			& 500 \\
	    \hline
	    OPA860					 		& $950	$ 			& 628 \\
	    \hline
	    
	  \end{tabular}
  \end{center}
\end{table}


\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/UIdifOTAp}
  \end{center}
  \caption{Modulová charakteristika převodníku U/Idif se dvěma prvky OTA.}
\end{figure}\
\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/UIdifOTAf}
  \end{center}
  \caption{Fázová charakteristika převodníku U/Idif se dvěma prvky OTA.}
\end{figure}
\newpage
Z obr. 6.2 a~6.3 můžeme vysledovat šířky pásem, které jsou pro OPA615 500~MHz modulově a~127~MHz fázově. Pro OPA860 jsou tyto hodnoty 628~MHz a~323~MHz. I~zde si můžeme povšimnout lépe pracujícího obvodu OPA860, kde jeho šířka pásma je lepší než u~OPA615, což potvrzuje závěr předcházejících simulací.\

\section{Převodník napětí na diferenční proud pomocí proudového konvejoru}
Testovaný obvod se nachází na Obr. 4.2. V tomto zapojení se nachází proudový konvejor druhé generace (CCII +/-) pracující s~diferenčními proudy. Tento obvod je velmi univerzální, bohužel však není schopen dosahovat moc velké šířky pásma. V~tabulce níže je uvedena šířka pásma a~hodnota použitého rezistoru.

\begin{table}[!ht]
  \caption{Tabulka hodnot pro převodník U/Idif s proudovým konvejoru.}
  \begin{center}
  	\small
	  \begin{tabular}{|c|c|c|}
	    \hline
	    Obvod    						& R[$\Omega$]	 	& Šířka pásma modulu přenosu [MHz]  \\
	    \hline
	    CCII							& $1000	$ 			& 25 \\
	    \hline
	   
	    
	  \end{tabular}
  \end{center}
\end{table}


\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/conveyp}
  \end{center}
  \caption{Modulová charakteristika převodníku U/Idif s proudovým konvejorem.}
\end{figure}\
\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/conveyf}
  \end{center}
  \caption{Fázová charakteristika převodníku U/Idif s proudovým konvejorem.}
\end{figure}
\newpage
Jak bylo předpokládáno, hodnota šířky pásma je velmi malá (modulová 25~MHz, fázová 10~MHz), a~to jde jen o~hodnotu spíše teoretickou. Ve reálném zapojení by tato hodnota byla nejspíše ještě o~něco menší. Tento proudový konvejor byl do simulací zařazen pouze pro porovnání a~pro naše účely by nevyhovoval.\

\section{Převodník napětí na diferenční proud se dvěma CFA doplněný o~obvody OPA860.}
Protože testujeme převodník napětí na diferenční proud, musíme zapojení se dvěma prvky CFA (Obr. 4.3) doplnit o obvody OTA ze zapojení na Obr. 4.5, které převádí napětí na proud z~výstupů převodníku napětí na diferenční napětí. Pro převodník napětí na proud jsem použil obvody OPA860, které se projevily ze simulací v~kapitole 6.1 jako výhodnější varianta. Hodnoty všech použitých součástek (pro každou variantu byly hledány optimální hodnoty) a~výsledné šířky pásma jsou v~tabulkách níže.

\begin{table}[!ht]
  \caption{Tabulka hodnot pro převodník U/Idif se dvěma CFA a~obvody OPA860.}
  \begin{center}
  	\small
	  \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
	    \hline
	    Obvod    						& Re[$\Omega$] 	 & R1[$\Omega$] & R2[$\Omega$] & R3[$\Omega$] & R4[$\Omega$] & R5[$\Omega$] & R6[$\Omega$]  \\
	    \hline
	    AD8000							& $1000	$ 	 & $300	$ & $300	$ & $250	$ & $250	$ & $250	$ & $250	$\\
	    \hline
	    EL5167							& $150	$ 	 & $2000	$ & $330	$ & $250	$ & $250	$ & $250	$ & $250	$\\
	    \hline
	    OPA695							& $1000	$ 	 & $300	$ & $300	$ & $250	$ & $250	$ & $250	$ & $250	$\\
	    \hline
	    THS3201							& $1000	$ 	 & $300	$ & $300	$ & $250	$ & $250	$ & $250	$ & $250	$\\
	    \hline
	  \end{tabular}
  \end{center}
\end{table}\

\begin{table}[!ht]
  \caption{Tabulka dosažené šířky pásma převodníku se dvěma CFA a~obvody OPA860}
  \begin{center}
  	\small
	  \begin{tabular}{|c|c|}
	    \hline
	    Obvod    					 	& Šířka pásma modulu přenosu [MHz]  \\
	    \hline
	    AD8000									& 1100 \\
	    \hline
	     EL5167									& 390 \\
	    \hline
	     OPA695								& 586 \\
	    \hline
	     THS3201								& 887 \\
	    \hline
	   
	    
	  \end{tabular}
  \end{center}
\end{table}

\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/zakladnip}
  \end{center}
  \caption{Modulová charakteristika převodníku U/Idif se dvěma CFA a~obvody OPA860, jako převodník U/I.}
\end{figure}\
\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/zakladnif}
  \end{center}
  \caption{Fázová charakteristika převodníku U/Idif se dvěma CFA a~obvody OPA860, jako převodník U/I.}
\end{figure}
\newpage
Ze simulací lze usoudit, že nejlépe dopadlo zapojení s~obvodem AD8000, který měl modulovou šířku pásma 1,1~GHz a~fázovou 547~MHz. Jako druhý nejlepší obvod byl THS3201 s~modulovou šířkou pásma 887~MHz a fázovou 235~MHz. Jen o~něco málo horší byl obvod OPA695, jenž měl šířku pásma 586~MHz modulově a~přes 1~GHz fázově. Nejhorším obvodem v tomto zapojení byl EL5167, který měl oproti svým konkurentům modulovou šířku pásma jen 390~MHz a~fázovou 845~MHz.\

\section{Převodník napětí na diferenční proud s~plně diferenčním zesilovačem doplněný o~obvody OPA860.}
Jako posledním simulovaným zapojením převodníku napětí na diferenční proud je zapojení s~plně diferenčním zesilovačem doplněným o~obvody OTA pro převod napětí na proud. Testovány budou obvody THS4511, AD8132 a~ADA4927. Tyto obvody jsou doplněny o~obvody OTA, kterými jsou stejně jako v~simulaci z~kapitoly 6.4 obvody OPA860. Základní schéma na je znázorněno Obr. 4.4 a~4.5\

\begin{table}[!ht]
  \caption{Tabulka hodnot převodníku U/Idif s plně diferenčním zesilovačem a~obvody OPA860.}
  \begin{center}
  	\small
	 	  \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
	    \hline
	    Obvod    						& Re[$\Omega$]  & R1[$\Omega$] & R2[$\Omega$] & R3[$\Omega$] & R4[$\Omega$] & R5[$\Omega$] & R6[$\Omega$] \\
	    \hline
	    THS4511							& $470	$ 	 & $200	$ & $200	$ & $200	$ & $200	$ & $100	$  & $100	$\\
	    \hline
	    AD8132							& $470	$ 	 & $200	$ & $200	$ & $200	$ & $200	$ & $100	$  & $100	$\\
	    \hline
	    ADA4927							& $1000	$		 & $200	$ & $200	$ & $420	$ & $420	$ & $100	$  & $100	$\\
	    \hline
 	  \end{tabular}
  \end{center}
\end{table}\ 

\begin{table}[!ht]
  \caption{Tabulka dosažené šířky pásma převodníku U/Idif s plně diferenčním zesilovačem a~obvody OPA860.}
  \begin{center}
  	\small
	  \begin{tabular}{|c|c|}
	    \hline
	    Obvod    					 	& Šířka pásma modulu přenosu [MHz]  \\
	    \hline
	    THS4511									& 1770 \\
	    \hline
	     AD8132								& 320 \\
	    \hline
	     ADA4927								& 556 \\
	   \hline
	  \end{tabular}
  \end{center}
\end{table}

\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/UIdif1zesp}
  \end{center}
  \caption{Modulová charakteristika převodníku U/Idif s plně diferenčním zesilovačem a~obvody OPA860 jako převodník U/I.}
\end{figure}\
\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/UIdif1zesf}
  \end{center}
  \caption{Fázová charakteristika převodníku U/Idif s plně diferenčním zesilovačem a~obvody OPA860 jako převodník U/I.}
\end{figure}
\newpage
~
\newpage
Z~výše uvedených obvodů se nejlépe osvědčil THS4511 s~modulovou šířkou pásma 1,77~GHz a~fázovou šířkou pásma 250~MHz. Obvod ADA4927 měl šířky pásma 1~GHz a~556~MHz. Nejhorším se zdá být obvod AD8132 s šířkami pásmem 330~MHz a~104~MHz.

\section{Převodník diferenčních proudů na jednoduché napětí se třemi prvky OTA}
U tohoto převodníku diferenčních proudů na jednoduché napětí se jedná se o~zapojení s~více prvky OTA. Schéma zapojení se nachází na Obr. 4.6. Jako buffer byl použit BUF602. Hodnoty rezistorů jsou uvedeny v tabulce. 

\begin{table}[!ht]
  \caption{Tabulka hodnot pro převodník Idif/U se třemi prvky OTA.}
  \begin{center}
  	\small
	  \begin{tabular}{|c|c|c|}
	    \hline
	    Obvod    						& R1[$\Omega$]	 	& Šířka pásma modulu přenosu [MHz]  \\
	    \hline
	    OPA615							& $600	$ 			& 83 \\
	    \hline
	    OPA861							& $540	$ 			& 40 \\
	    \hline
	  \end{tabular}
  \end{center}
\end{table}

\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/IdifUOPAp}
  \end{center}
  \caption{Modulová charakteristika převodníku Idif/U se třemi prvky OTA.}
\end{figure}\
\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/IdifUOPAf}
  \end{center}
  \caption{Fázová charakteristika převodníku Idif/U se třemi prvky OTA.}
\end{figure}
\newpage
Lépe při této simulaci dopadl obvod OPA615 s~modulovou šířkou pásma 83~MHz a fázovou 37~MHz. Obvod OPA861 dosáhl hodnot modulové šířky pásma 40~MHz a~fázově 32~MHz, jak bude patrné z dalších výsledků. Tyto hodnoty nejsou moc vhodné pro naše účely.

\section{Převodník diferenčních proudů na jednoduché napětí se třemi prvky CFA}
Dalším převodníkem Idif/U je zapojení se třemi prvky CFA, kdy dva z~nich převádí diferenční proudy na diferenční napětí a~poslední z~nich pomocí rozdílového zapojení tato napětí převede na jednoduchá napětí. Schéma zapojení na Obr. 4.7.

\begin{table}[!ht]
  \caption{Tabulka hodnot převodníku Idif/U se třemi prvky CFA.}
  \begin{center}
  	\small
	 	  \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|}
	    \hline
	    Obvod    						& R1[$\Omega$]		& R2$\Omega$]	 & R3[$\Omega$] & R4[$\Omega$] & R5[$\Omega$] & R6[$\Omega$] \\
	    \hline
	    THS3201							& $300	$ 	& $300$		 & $50	$ & $50	$ & $150	$ & $570	$ \\
	    \hline
	    AD8000							& $220	$ 	& $220$		 & $50	$ & $50	$ & $220	$ & $470	$ \\
	    \hline
	    EL5167						& $300	$ 	& $300$		 & $100$ & $100	$ & $310	$ & $600	$ \\
	    \hline
	    OPA695						& $330	$ 	& $330$		 & $100	$ & $100	$ & $300	$ & $500	$ \\
	    \hline
 	  \end{tabular}
  \end{center}
\end{table}\ 

\begin{table}[!ht]
  \caption{Tabulka dosažené šířky pásma převodníku Idif/U se třemi prvky CFA.}
  \begin{center}
  	\small
	  \begin{tabular}{|c|c|}
	    \hline
	    Obvod    					 	& Šířka pásma modulu přenosu [MHz]  \\
	    \hline
	    THS3201								& 967 \\
	    \hline
	     AD8000								& 670 \\
	    \hline
	     EL5167								& 611 \\
	   \hline
	    OPA695								& 850 \\
	   \hline
	  \end{tabular}
  \end{center}
\end{table}

\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.5]{grafy/IdifU3CFAp}
  \end{center}
  \caption{Modulová charakteristika převodníku Idif/U se třemi prvky CFA.}
\end{figure}\
\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/IdifU3CFAf}
  \end{center}
  \caption{Fázová charakteristika převodníku Idif/U se třemi prvky CFA.}
\end{figure}
\newpage
V simulacích se podařilo dosáhnout nejlepších výsledků zapojením s~obvodem THS3201, které mělo modulovou šířku pásma 967~MHz a fázovou šířku pásma 242~MHz. Jako druhý nejlepší se z~simulací ukázal obvod OPA695 s~šířkami pásma 850~MHz a~159~MHz. Dalšími byly obvody AD8000 (670~MHz a~228~MHz) a~EL5167 (661~MHz a~116~MHz). Toto zapojení se díky těmto simulacím zdálo být nelepší a~proto s~ním bude i~nadále pracováno.\

\section{Převodník diferenčních proudů na jednoduché napětí s jedním CFA}
Jako poslední budeme simulovat obvod převodníku diferenčních proudů na jednoduché napětí s~jedním prvkem CFA. Toto zapojení nalezneme na Obr. 4.8.

\begin{table}[!h]
  \caption{Tabulka hodnot převodníku Idif/U s jedním CFA.}
  \begin{center}
  	\small
	 	  \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|}
	    \hline
	    Obvod    						& R1[$\Omega$]		& R2$\Omega$]	 & R3[$\Omega$] & R4[$\Omega$] & R5[$\Omega$] & R6[$\Omega$] & C1[fF]\\
	    \hline
	    THS3201							& $2000	$ 	& $2000$		 & $660	$ & $660	$ & $660$ & $660	$	& $10	$ \\
	    \hline
	    AD8000							& $2000	$ 	& $2000$	 & $330	$ & $330	$ & $1000	$ & $1000	$ & $10	$\\
	    \hline
	    EL5167						& $2000	$ 	& $2000$		 & $660	$ & $660	$ & $660$ & $660	$	& $10	$ \\
	    \hline
	    AD8001						& $2000	$ 	& $2000$		 & $660	$ & $660	$ & $660$ & $660	$	& $10	$ \\
	    \hline
	    AD8011						& $2000	$ 	& $2000$		 & $660	$ & $660	$ & $660$ & $660	$	& $10	$ \\
	    \hline
 	  \end{tabular}
  \end{center}
\end{table}

\begin{table}[!ht]
  \caption{Tabulka dosažené šířky pásma převodníku Idif/U  s jedním CFA.}
  \begin{center}
  	\small
	  \begin{tabular}{|c|c|}
	    \hline
	    Obvod    					 	& Šířka pásma modulu přenosu [MHz]  \\
	    \hline
	    THS3201								& 320 \\
	    \hline
	     AD8000								& 200 \\
	    \hline
	     EL5167								& 109 \\
	   \hline
	    AD8001								& 145 \\
	   \hline
	    AD8011								& 94 \\
	   \hline
	  \end{tabular}
  \end{center}
\end{table}

\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/IdifU1CFAp}
  \end{center}
  \caption{Modulová charakteristika převodníku Idif/U s jedním CFA.}
\end{figure}\
\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/IdifU1CFAf}
  \end{center}
  \caption{Fázová charakteristika převodníku Idif/U s jedním CFA.}
\end{figure}
\newpage
Nejlépe si při tomto zapojení vedl obvod THS3201 s modulovou šířkou pásma 320~MHz a fázovou, která přesahovala přes 1~GHz. Výsledky šířky pásma jednotlivých obvodů jsou pro modulovou charakteristiku znázorněny na Obr. 6.12. Pro fázovou charakteristiku vyšla pro všechny obvody hodnota přes 1~GHz, což považuji pouze za velmi teoretickou hodnotu.
\newpage
\section{Kompletní převodník U/Idif - Idif/U}
Jako kompletní převodník napětí na diferenční proud a~následného převodu diferenčního proudu na napětí jsem si na základě výsledků simulací vybral zapojení plně diferenčního zesilovače (Obr. 4.4) jako U/Udif, zapojení s~prvky OTA pro Udif/Idif (Obr. 4.5) a~zapojení se třemi prvky CFA (Obr. 4.7) jako Idif/U. Pro tento kompletní převodník byly vybrány obvody, které se při simulacích chovaly nejlépe a~měly nejvyšší šířky pásma. Tedy byly to obvody THS4511 pro plně diferenční převodník, OPA860 pro převodník Udif/I a~obvod THS3201 pro převodník Idif/U. Hodnoty všech použitých pasivních součástek byly totožné jako při předchozích simulacích. Schéma zapojení včetně těchto hodnot je uvedeno na Obr. 6.17.
\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{obrazky/complet}
  \end{center}
  \caption{Schéma zapojení převodníku U/Idif - Idif/U}
\end{figure}

\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/completp}
  \end{center}
  \caption{Modulová charakteristika převodníku U/Idif - Idif/U}
\end{figure}\
\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
    \includegraphics[scale=0.55]{grafy/complef}
  \end{center}
  \caption{Fázová charakteristika převodníku U/Idif - Idif/U}
\end{figure}
\newpage
Simulovaný kompletní převodník U/Idif - Idif/U dosáhl hodnoty modulové šířky pásma 714~MHz a hodnoty fázové šířky pásma 107~MHz. Tyto hodnoty se zdají být dostačující a proto bude tento převodník využit i~pro praktickou realizaci.