【導(dǎo)讀】過(guò)去,任意波形發(fā)生器最棘手的部分是輸出級(jí)的設(shè)計(jì)。典型信號(hào)發(fā)生器的輸出范圍在25 mV 到5 V 之間。為了驅(qū)動(dòng)一個(gè)50 Ω 的負(fù)載,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用高性能分立式器件,并聯(lián)大量集成器件,或者成本昂貴的ASIC,而要構(gòu)造出穩(wěn)定且可編程范圍較寬的高性能輸出級(jí),設(shè)計(jì)師往往要投入無(wú)數(shù)小時(shí)的時(shí)間?,F(xiàn)在,技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的放大器可以驅(qū)動(dòng)這些負(fù)載,降低輸出級(jí)的復(fù)雜性,同時(shí)還能減少成本、縮短上市時(shí)間。
圖1. 典型信號(hào)發(fā)生器模型
在使用通用信號(hào)發(fā)生器時(shí),先輸入一個(gè)頻率,然后按下一個(gè)按鈕,最后儀器產(chǎn)生一個(gè)新的頻率。接下來(lái),輸入所需輸出功率,再按下另一個(gè)按鈕。在切換內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整輸出電平時(shí),繼電器發(fā)出咔噠聲。這種非連續(xù)運(yùn)行模式是補(bǔ)償寬可編程范圍缺失問(wèn)題的必要條件。本文提出一種新的架構(gòu),它可以解決輸出級(jí)設(shè)計(jì)中的一半問(wèn)題。
克服這個(gè)前端設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的兩個(gè)關(guān)鍵組件是:提供高速、高電壓和高輸出電流的高性能輸出級(jí);以及帶連續(xù)線性dB 調(diào)諧的可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)。這種設(shè)計(jì)以20MHz 的性能為目標(biāo),幅度為22.4 V(+39 dBm),負(fù)載為50 Ω。
圖2. 更小、更簡(jiǎn)單的信號(hào)發(fā)生器輸出級(jí)
新型緊湊式輸出級(jí)
初始信號(hào)可能來(lái)自數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)以產(chǎn)生復(fù)雜波形,也可能來(lái)自直接數(shù)字頻率合成(DDS)器件以產(chǎn)生正弦波。任一情況下,其規(guī)格和功率調(diào)整能力都可能達(dá)不到理想狀態(tài)。第一個(gè)要求是用VGA提供衰減或增益。但許多VGA 提供的增益是有限的,往往不足以在本應(yīng)用中發(fā)揮作用。
如果VGA 的輸出可以設(shè)為目標(biāo)電平,則無(wú)論輸入為何,都可以強(qiáng)制輸出已知幅度。例如,如果所需輸出幅度為2 V,且功率輸出級(jí)的增益為10,則VGA 的輸出幅度應(yīng)調(diào)節(jié)至0.2 V。當(dāng)輸出級(jí)設(shè)計(jì)正確時(shí),輸出幅度最終由VGA 輸出設(shè)定。不幸的是,多數(shù)VGA因可編程范圍有限而成了瓶頸問(wèn)題。
AD8330是實(shí)現(xiàn)50 dB 范圍的首款VGA,但AD8338則樹立了新的標(biāo)桿,這款新型低功耗VGA 擁有高達(dá)80 dB 的可編程范圍。典型的高品質(zhì)信號(hào)發(fā)生器的輸出幅度范圍為25 mV 至5 V。高達(dá)46 dB的可調(diào)范圍超過(guò)了市面上多數(shù)現(xiàn)有VGA 的能力范圍。理想條件下,經(jīng)典信號(hào)發(fā)生器的輸出幅度可能為0.5 mV 至5 V,無(wú)需使用繼電器或開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。滿量程連續(xù)可調(diào),不存在開關(guān)和繼電器的非連續(xù)性問(wèn)題。另外,不用繼電器還可以延長(zhǎng)儀器壽命,提高系統(tǒng)可靠性。
現(xiàn)代DAC 和DDS 器件一般搭載差分輸出,要求設(shè)計(jì)師使用一個(gè)變壓器,用單端連接損失一半信號(hào),或者添加一個(gè)差分轉(zhuǎn)單端轉(zhuǎn)換器。AD8338 具有天然的適用性,提供全差分接口,如圖3 所示。對(duì)于正弦波應(yīng)用,用DDS 取代DAC。
圖3. 把DAC 連接至AD8338 的網(wǎng)絡(luò)示例
AD8338 的一個(gè)主要特點(diǎn)是靈活的輸入級(jí)。作為一款輸入VGA,它通過(guò)ADI 研究員Barrie Gilbert 發(fā)明的"H-amp"拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)控制輸入電流。該設(shè)計(jì)用反饋來(lái)平衡輸入電流,同時(shí)使內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓維持于1.5 V。正常條件下,使用500 Ω 輸入電阻,最大1.5 V輸入信號(hào)會(huì)產(chǎn)生3 mA 的電流。如果輸入幅度較大,比如15 V,則將一個(gè)較大的電阻連接至"直接"輸入引腳。該電阻的大小必須合適,以得到相同的3 mA 電流:
(1)
單端15 V 信號(hào)將以差分方式輸出1.141 V。此時(shí),最小增益條件下,AD8338 提供28.4 dB 衰減,因此,最大可能增益為+51.6 dB。作為一種低功耗器件,在1 kΩ 負(fù)載條件下,典型輸出擺幅為1.5 V。
輸入VGA 的功率必須滿足以下條件:其總增益范圍在不同設(shè)定點(diǎn)周圍。首先,確定信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生最大輸出需要的輸出電平。許多商用發(fā)生器為50 Ω 負(fù)載(正弦波)只提供250 mW rms (+24 dBm)的最大輸出功率。這無(wú)法滿足需要更多輸出功率的應(yīng)用需求,比如測(cè)試高輸出高頻放大器、超聲脈沖發(fā)生等。
電流反饋放大器(CFA)技術(shù)的進(jìn)步意味著,這不再是個(gè)問(wèn)題。ADA4870CFA 可以用±20 V 電源驅(qū)動(dòng)1 A(17 V)。對(duì)于正弦波,可以在滿負(fù)載條件下輸出最高23 MHz 的頻率,使其成為新一代通用任意波形/信號(hào)發(fā)生器的理想前端驅(qū)動(dòng)器。
對(duì)于反射敏感型50 Ω 系統(tǒng)來(lái)說(shuō),ADA4870 要求一些無(wú)源器件使源阻抗與50 Ω 負(fù)載相匹配:一個(gè)阻性焊盤和一個(gè)1.5:1 RF 自動(dòng)變壓器。在1 V 裕量條件下,當(dāng)放大器有效負(fù)載為16 Ω 時(shí),可取得8 W 峰值功率。另外,如果反射不構(gòu)成問(wèn)題,則可移除阻性焊盤,并用匝數(shù)比為0.77:1 的變壓器代替自動(dòng)變壓器。無(wú)阻性焊盤地,輸出功率增至16 W峰值(28.3 V 幅度)。
圖4. ADA4870 驅(qū)動(dòng)16 Ω(增益= 10)時(shí)的基本連接
為優(yōu)化輸出信號(hào)擺幅,我們將ADA4870 的增益倍數(shù)配置為10,因此,所需輸入幅度為1.6 V。ADA4870 有一個(gè)單端輸入,AD8338有一個(gè)差分輸出,因此,AD8130 差分接收放大器及其270 MHz增益帶寬積和1090 V/μs 壓擺率可同時(shí)提供差分至單端轉(zhuǎn)換和所需增益。AD8338 的輸出限制為±1.0 V,因此,AD8130 必須提供1.6 V/V 的中間增益。組合起來(lái)時(shí),三個(gè)器件形成一個(gè)完整的信號(hào)發(fā)生器輸出級(jí)。
圖5. 信號(hào)發(fā)生器輸出級(jí)
完成整個(gè)設(shè)計(jì)還需要最后兩個(gè)步驟:配置輸入網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)最大輸入信號(hào)和抗混疊,設(shè)計(jì)輸出網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換。
AD8338 輸入網(wǎng)絡(luò)
對(duì)于該設(shè)計(jì),差分輸出幅度為±1.0 V。在工廠默認(rèn)設(shè)置、內(nèi)部500 Ω電阻和最大增益條件下,輸入幅度一定是100 μV。通過(guò)向直接輸入引腳增加電阻,設(shè)計(jì)師可以調(diào)節(jié)該要求。由輸入電阻決定的增益范圍為:
(2)
在各輸入端使用40.2 kΩ 的電阻,可以在噪聲功率與輸入衰減之間 實(shí)現(xiàn)良好平衡。當(dāng)VGAIN = 1.1 V(最大增益)時(shí),增益為:
(3)
此時(shí),差分輸入只需為21 mV。
當(dāng)VGAIN = 0.1 V 時(shí),增益為:
(4)
對(duì)于相同的21 mV 輸入,輸出約為100 μV。
考慮AD8130和ADA4870 的總增益,約為24.1 dB,ADA4870 的輸出幅度范圍為1.6 mV 至16 V。在阻性焊盤和自動(dòng)變壓器之后,輸出端的電壓將在2 mV 到20 V 之間。
把AD8338 連接至DDS 等器件,要求考慮抗混疊和輸入衰減。例如,差分輸出AD9834CDDS 要求200 Ω 電阻接地,以實(shí)現(xiàn)正確的擺幅。每個(gè)輸出只會(huì)產(chǎn)生一半的正弦波信號(hào),如圖6 所示。
每個(gè)輸出峰值為0.6 V,使得有效輸入為±0.6 V,所需衰減為26 dB。在使用200 Ω 電阻時(shí),通過(guò)構(gòu)建簡(jiǎn)單的電阻分壓器,可以輕松實(shí)現(xiàn)衰減。由于信號(hào)擺幅并不統(tǒng)一,因此,信號(hào)峰值應(yīng)該會(huì)達(dá)到預(yù)期衰減值。
圖6. 9834C IIOUT 和IIOUT的輸出擺幅。未顯示混疊偽像
(5)
使用標(biāo)準(zhǔn)的6.98 Ω 和191 Ω 電阻值,結(jié)果會(huì)產(chǎn)生0.7%的誤差。
最后,需要一定的抗混疊處理。在75-MSPS 采樣速率下,奈奎斯特速率輸出為37.5 MHz,超過(guò)了該設(shè)計(jì)的20 MHz 帶寬。將抗混疊極點(diǎn)設(shè)為20 MHz,則所需電容為:
(6)
這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值,因此,完整的輸入網(wǎng)絡(luò)如圖7 所示:
圖7. DDS + 衰減和濾波器網(wǎng)絡(luò) + AD8338
構(gòu)建該級(jí)并進(jìn)行測(cè)量??傮w變化在±0.6 dB 之內(nèi),如圖8 所示。
圖8. AD8338 配置的計(jì)算所得增益和實(shí)測(cè)增益
ADA4870 輸出級(jí)
在單端輸出由AD8130 提供的情況下,ADA4870 將執(zhí)行最終10倍增益。設(shè)置該增益需要兩個(gè)電阻,無(wú)外部補(bǔ)償情況下,該級(jí)很穩(wěn)定。未完成的唯一工作是調(diào)整輸出網(wǎng)絡(luò),以滿足應(yīng)用需求。有三種通用實(shí)現(xiàn)方案:
1. 從放大器直接輸出至50 Ω
2. 填充自動(dòng)變壓器輸出至50 Ω
3. 未填充自動(dòng)變壓器輸出至50 Ω
對(duì)于直接輸出,放大器輸出直接連接輸出連接器,無(wú)需用任何網(wǎng)絡(luò)來(lái)轉(zhuǎn)換源,如圖9 所示。這種方法是真直流連接源的完美選擇,雖然不能發(fā)揮出器件的全部潛力,但仍然比典型信號(hào)發(fā)生器的10 V輸出幅度要好得多。在這種情況下,最大峰值功率為5.12 W。
圖9. 直接輸出驅(qū)動(dòng)連接
對(duì)于焊盤式設(shè)計(jì),16 Ω 負(fù)載在一個(gè)8 Ω 的串聯(lián)焊盤與經(jīng)濾波處理的1.5:1 自動(dòng)變壓器之間分配,如圖10 所示。在該模式下,由于設(shè)計(jì)具有低阻抗特性,因此,設(shè)計(jì)師使用的電感值可以比用于50 Ω設(shè)計(jì)的電感小6.25 倍。低通濾波器和自動(dòng)變壓器把8 Ω 有效源阻抗轉(zhuǎn)換成匹配良好的50 Ω 負(fù)載。這種設(shè)計(jì)方法的總峰值輸出功率為8 W,最適合需要50 Ω 匹配源的應(yīng)用,在這類應(yīng)用中,反射可能成為一個(gè)問(wèn)題,比如,傳輸線路較長(zhǎng)時(shí)。
圖10.焊盤式輸出設(shè)計(jì)的ADA4870 連接
在目標(biāo)頻段內(nèi),對(duì)于任何反射, 輸入阻抗均表現(xiàn)為50 Ω
最后一個(gè)選項(xiàng),也可能是信號(hào)發(fā)生器最有用的選項(xiàng),不使用8 Ω焊盤,而且輸出功率提高了一倍。我們?nèi)匀唤ㄗh使用LC 階梯式濾波器,如圖11 所示,但階梯值比用于50 Ω 系統(tǒng)(設(shè)計(jì)的標(biāo)稱阻抗為16 Ω)的值小3.125 倍。在這種情況下,自動(dòng)變壓器使用的匝數(shù)比為0.77:1。該模式下,峰值正弦波輸出幅度為28.3 V,ADA4870 將驅(qū)動(dòng)約16 W 至50 Ω 負(fù)載(8 W rms 或39 dBm)。
圖11. 用于驅(qū)動(dòng)50 Ω 負(fù)載的最佳功率輸出連接
整體解決方案
在現(xiàn)實(shí)世界中,如果與真實(shí)世界不相符,仿真和等式毫無(wú)意義。因此,有必要構(gòu)建一個(gè)完整的系統(tǒng),基于預(yù)期值測(cè)量其性能。圖12 所示為一種實(shí)際焊盤式輸出設(shè)計(jì)的原理圖。
圖12. 完整的簡(jiǎn)化原理圖
圖13 所示為無(wú)濾波器條件下的實(shí)測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)增益一致性誤差為±1 dB,最差條件下輸出功率高達(dá)2.75 W rms(5.5 W 峰值)(P1dB壓縮點(diǎn),34 dBm)。值得注意的是,總增益范圍超過(guò)62 dB,范圍比許多標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器多16 dB。
圖13. 焊盤式、未濾波輸出功率結(jié)果。無(wú)濾波器時(shí),系統(tǒng)在36 dBm時(shí)出 現(xiàn)一個(gè)P1dB 點(diǎn)。FTEST = 14.0956 MHz
增益范圍可通過(guò)改善DDS 輸出端濾波機(jī)制以及降低系統(tǒng)噪聲的方式提高。圖14 所示為采用濾波器時(shí)的相同測(cè)量值。濾波輸出不存在同樣的P1dB 問(wèn)題,結(jié)果將滿量程+36 dBm 輸出轉(zhuǎn)換成50 Ω負(fù)載??傇鲆婢€性度更佳(≤0.65 dB),誤差僅出現(xiàn)在中間電平周圍。
圖14. 5 階低通濾波器的實(shí)測(cè)輸出(fc = 20 MHz)。FTEST = 14.0956 MHz
如果具體運(yùn)行模式需要甚至更高的輸出功率,則針對(duì)給定應(yīng)用,可以將多個(gè)輸出放大用于驅(qū)動(dòng)專業(yè)變壓器?;蛘?,可以將這里描述的設(shè)計(jì)方法用于電源較低的系統(tǒng),但這些方法必須符合替代設(shè)計(jì)的限制要求。
注意,受累積輸入衰減和增益誤差影響,測(cè)量上限止于VGAIN =0.9375 V。通過(guò)調(diào)整初始衰減網(wǎng)絡(luò),充分考慮總系統(tǒng)誤差,可以解決這個(gè)問(wèn)題。校正后,總系統(tǒng)增益范圍將增至74 dB。
結(jié)論
配合高性能VGA 使用高性能、高輸出CFA,可以為新一代信號(hào)發(fā)生器構(gòu)建出一種簡(jiǎn)單前端。這些器件的高度集成可以降低PCB電路板的總面積和成本。
要獲得更多功能,可以在閉環(huán)反饋系統(tǒng)中使用AD8310等對(duì)數(shù)放大器。增加對(duì)數(shù)放大器后,配合AD9834C 等DDS,設(shè)計(jì)師可以集成各種形式的包絡(luò)調(diào)制,如頻移鍵控(FSK)、開關(guān)鍵控(OOK)和相移鍵控(PSK),將其作為一項(xiàng)內(nèi)在功能;通過(guò)創(chuàng)造性地使用兩個(gè)基本模塊,實(shí)現(xiàn)不盡其數(shù)的選項(xiàng)。
參考電路
電流反饋放大器。
對(duì)數(shù)放大器/檢測(cè)器。
Signal Synthesis.
可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)。
MT-034 指南,電流反饋(CFB)運(yùn)算放大器。
MT-057 指南,高速電流反饋運(yùn)算放大器。
MT-060 指南,在電壓反饋和電流反饋運(yùn)算放大器之間選擇。
MT-072 指南,精密可變?cè)鲆娣糯笃鳌?/div>
MT-073 指南,高速可變?cè)鲆娣糯笃鳌?/div>
推薦閱讀:
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)電離分?jǐn)?shù)與沉積通量,助力PVD/IPVD工藝與涂層質(zhì)量雙重提升
- ADC 總諧波失真
- 貿(mào)澤電子持續(xù)擴(kuò)充工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品陣容
- 更高精度、更低噪音 GMCC美芝電子膨脹閥以創(chuàng)新?lián)屨夹袠I(yè)“制高點(diǎn)”
- 本立租完成近億元估值Pre-A輪融資,打造AI賦能的租賃服務(wù)平臺(tái)
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
電工電路
電機(jī)控制
電解電容
電纜連接器
電力電子
電力繼電器
電力線通信
電流保險(xiǎn)絲
電流表
電流傳感器
電流互感器
電路保護(hù)
電路圖
電路圖符號(hào)
電路圖知識(shí)
電腦OA
電腦電源
電腦自動(dòng)斷電
電能表接線
電容觸控屏
電容器
電容器單位
電容器公式
電聲器件
電位器
電位器接法
電壓表
電壓傳感器
電壓互感器
電源變壓器