两款新器件重塑信号发生器

2015-03-09 11:28:28   来源:21ic   

关键字: 信号发生器

过去,任意波形发生器最棘手的部分是输出级的设计。典型信号发生器的输出范围在25 mV 到5 V 之间。为了驱动一个50 Ω 的负载,传统设计采用高性能分立式器件,并联大量集成器件,或者成本昂贵的ASIC,而要构造出稳定且可编程范围较宽的高性能输出级,设计师往往要投入无数小时的时间。现在,技术进步带来的放大器可以驱动这些负载,降低输出级的复杂性,同时还能减少成本、缩短上市时间。
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图1. 典型信号发生器模型

在使用通用信号发生器时,先输入一个频率,然后按下一个按钮,最后仪器产生一个新的频率。接下来,输入所需输出功率,再按下另一个按钮。在切换内部网络、调整输出电平时,继电器发出咔哒声。这种非连续运行模式是补偿宽可编程范围缺失问题的必要条件。本文提出一种新的架构,它可以解决输出级设计中的一半问题。

克服这个前端设计挑战的两个关键组件是:提供高速、高电压和高输出电流的高性能输出级;以及带连续线性dB 调谐的可变增益放大器(VGA)。这种设计以20MHz 的性能为目标,幅度为22.4 V(+39 dBm),负载为50 Ω。

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图2. 更小、更简单的信号发生器输出级

新型紧凑式输出级

初始信号可能来自数模转换器(DAC)以产生复杂波形,也可能来自直接数字频率合成(DDS)器件以产生正弦波。任一情况下,其规格和功率调整能力都可能达不到理想状态。第一个要求是用VGA提供衰减或增益。但许多VGA 提供的增益是有限的,往往不足以在本应用中发挥作用。

如果VGA 的输出可以设为目标电平,则无论输入为何,都可以强制输出已知幅度。例如,如果所需输出幅度为2 V,且功率输出级的增益为10,则VGA 的输出幅度应调节至0.2 V。当输出级设计正确时,输出幅度最终由VGA 输出设定。不幸的是,多数VGA因可编程范围有限而成了瓶颈问题。

AD8330 是实现50 dB 范围的首款VGA,但AD8338 则树立了新的标杆,这款新型低功耗VGA 拥有高达80 dB 的可编程范围。典型的高品质信号发生器的输出幅度范围为25 mV 至5 V。高达46 dB的可调范围超过了市面上多数现有VGA 的能力范围。理想条件下,经典信号发生器的输出幅度可能为0.5 mV 至5 V,无需使用继电器或开关网络。满量程连续可调,不存在开关和继电器的非连续性问题。另外,不用继电器还可以延长仪器寿命,提高系统可靠性。

现代DAC 和DDS 器件一般搭载差分输出,要求设计师使用一个变压器,用单端连接损失一半信号,或者添加一个差分转单端转换器。AD8338 具有天然的适用性,提供全差分接口,如图3 所示。对于正弦波应用,用DDS 取代DAC。

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图3. 把DAC 连接至AD8338 的网络示例

AD8338 的一个主要特点是灵活的输入级。作为一款输入VGA,它通过ADI 研究员Barrie Gilbert 发明的"H-amp"拓扑结构来控制输入电流。该设计用反馈来平衡输入电流,同时使内部节点电压维持于1.5 V。正常条件下,使用500 Ω 输入电阻,最大1.5 V输入信号会产生3 mA 的电流。如果输入幅度较大,比如15 V,则将一个较大的电阻连接至"直接"输入引脚。该电阻的大小必须合适,以得到相同的3 mA 电流:

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(1)

单端15 V 信号将以差分方式输出1.141 V。此时,最小增益条件下,AD8338 提供28.4 dB 衰减,因此,最大可能增益为+51.6 dB。作为一种低功耗器件,在1 kΩ 负载条件下,典型输出摆幅为1.5 V。

输入VGA 的功率必须满足以下条件:其总增益范围在不同设定点周围。首先,确定信号发生器产生最大输出需要的输出电平。许多商用发生器为50 Ω 负载(正弦波)只提供250 mW rms (+24 dBm)的最大输出功率。这无法满足需要更多输出功率的应用需求,比如测试高输出高频放大器、超声脉冲发生等。

电流反馈放大器(CFA)技术的进步意味着,这不再是个问题。ADA4870 CFA 可以用±20 V 电源驱动1 A(17 V)。对于正弦波,可以在满负载条件下输出最高23 MHz 的频率,使其成为新一代通用任意波形/信号发生器的理想前端驱动器。

对于反射敏感型50 Ω 系统来说,ADA4870 要求一些无源器件使源阻抗与50 Ω 负载相匹配:一个阻性焊盘和一个1.5:1 RF 自动变压器。在1 V 裕量条件下,当放大器有效负载为16 Ω 时,可取得8 W 峰值功率。另外,如果反射不构成问题,则可移除阻性焊盘,并用匝数比为0.77:1 的变压器代替自动变压器。无阻性焊盘地,输出功率增至16 W峰值(28.3 V 幅度)。

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图4. ADA4870 驱动16 Ω(增益= 10)时的基本连接

为优化输出信号摆幅,我们将ADA4870 的增益倍数配置为10,因此,所需输入幅度为1.6 V。ADA4870 有一个单端输入,AD8338有一个差分输出,因此,AD8130 差分接收放大器及其270 MHz增益带宽积和1090 V/μs 压摆率可同时提供差分至单端转换和所需增益。AD8338 的输出限制为±1.0 V,因此,AD8130 必须提供1.6 V/V 的中间增益。组合起来时,三个器件形成一个完整的信号发生器输出级。

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图5. 信号发生器输出级

完成整个设计还需要最后两个步骤:配置输入网络以实现最大输入信号和抗混叠,设计输出网络以实现阻抗转换。
 

AD8338 输入网络

对于该设计,差分输出幅度为±1.0 V。在工厂默认设置、内部500 Ω电阻和最大增益条件下,输入幅度一定是100 μV。通过向直接输入引脚增加电阻,设计师可以调节该要求。由输入电阻决定的增益范围为:

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(2)

在各输入端使用40.2 kΩ 的电阻,可以在噪声功率与输入衰减之间 实现良好平衡。当VGAIN = 1.1 V(最大增益)时,增益为:

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(3)

此时,差分输入只需为21 mV。

当VGAIN = 0.1 V 时,增益为:

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(4)

对于相同的21 mV 输入,输出约为100 μV。

考虑AD8130 和ADA4870 的总增益,约为24.1 dB,ADA4870 的输出幅度范围为1.6 mV 至16 V。在阻性焊盘和自动变压器之后,输出端的电压将在2 mV 到20 V 之间。

把AD8338 连接至DDS 等器件,要求考虑抗混叠和输入衰减。例如,差分输出AD9834C DDS 要求200 Ω 电阻接地,以实现正确的摆幅。每个输出只会产生一半的正弦波信号,如图6 所示。

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0309/article_10941.html
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