【導(dǎo)讀】過去，任意波形發(fā)生器最棘手的部分是輸出級的設(shè)計。典型信號發(fā)生器的輸出范圍在25 mV 到5 V 之間。為了驅(qū)動一個50 Ω 的負(fù)載，傳統(tǒng)設(shè)計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，設(shè)計師往往要投入無數(shù)小時的時間。現(xiàn)在，技術(shù)進步帶來的放大器可以驅(qū)動這些負(fù)載，降低輸出級的復(fù)雜性，同時還能減少成本、縮短上市時間。
圖1. 典型信號發(fā)生器模型
在使用通用信號發(fā)生器時，先輸入一個頻率，然后按下一個按鈕，最后儀器產(chǎn)生一個新的頻率。接下來，輸入所需輸出功率，再按下另一個按鈕。在切換內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整輸出電平時，繼電器發(fā)出咔噠聲。這種非連續(xù)運行模式是補償寬可編程范圍缺失問題的必要條件。本文提出一種新的架構(gòu)，它可以解決輸出級設(shè)計中的一半問題。
克服這個前端設(shè)計挑戰(zhàn)的兩個關(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；以及帶連續(xù)線性dB 調(diào)諧的可變增益放大器(VGA)。這種設(shè)計以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、更簡單的信號發(fā)生器輸出級
新型緊湊式輸出級
初始信號可能來自數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)以產(chǎn)生復(fù)雜波形，也可能來自直接數(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)整能力都可能達不到理想狀態(tài)。第一個要求是用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，則無論輸入為何，都可以強制輸出已知幅度。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)輸出級設(shè)計正確時，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題。
AD8330是實現(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80 dB 的可編程范圍。典型的高品質(zhì)信號發(fā)生器的輸出幅度范圍為25 mV 至5 V。高達46 dB的可調(diào)范圍超過了市面上多數(shù)現(xiàn)有VGA 的能力范圍。理想條件下，經(jīng)典信號發(fā)生器的輸出幅度可能為0.5 mV 至5 V，無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)性問題。另外，不用繼電器還可以延長儀器壽命，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)計師使用一個變壓器，用單端連接損失一半信號，或者添加一個差分轉(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 的一個主要特點是靈活的輸入級。作為一款輸入VGA，它通過ADI 研究員Barrie Gilbert 發(fā)明的"H-amp"拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來控制輸入電流。該設(shè)計用反饋來平衡輸入電流，同時使內(nèi)部節(jié)點電壓維持于1.5 V。正常條件下，使用500 Ω 輸入電阻，最大1.5 V輸入信號會產(chǎn)生3 mA 的電流。如果輸入幅度較大，比如15 V，則將一個較大的電阻連接至"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 信號將以差分方式輸出1.141 V。此時，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)定點周圍。首先，確定信號發(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。這無法滿足需要更多輸出功率的應(yīng)用需求，比如測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)的進步意味著，這不再是個問題。ADA4870CFA 可以用±20 V 電源驅(qū)動1 A（17 V）。對于正弦波，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/信號發(fā)生器的理想前端驅(qū)動器。
對于反射敏感型50 Ω 系統(tǒng)來說，ADA4870 要求一些無源器件使源阻抗與50 Ω 負(fù)載相匹配：一個阻性焊盤和一個1.5:1 RF 自動變壓器。在1 V 裕量條件下，當(dāng)放大器有效負(fù)載為16 Ω 時，可取得8 W 峰值功率。另外，如果反射不構(gòu)成問題，則可移除阻性焊盤，并用匝數(shù)比為0.77:1 的變壓器代替自動變壓器。無阻性焊盤地，輸出功率增至16 W峰值（28.3 V 幅度）。
圖4. ADA4870 驅(qū)動16 Ω（增益= 10）時的基本連接
為優(yōu)化輸出信號擺幅，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 有一個單端輸入，AD8338有一個差分輸出，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。組合起來時，三個器件形成一個完整的信號發(fā)生器輸出級。
圖5. 信號發(fā)生器輸出級
完成整個設(shè)計還需要最后兩個步驟：配置輸入網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)最大輸入信號和抗混疊，設(shè)計輸出網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換。
AD8338 輸入網(wǎng)絡(luò)
對于該設(shè)計，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。通過向直接輸入引腳增加電阻，設(shè)計師可以調(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 實現(xiàn)良好平衡。當(dāng)VGAIN = 1.1 V（最大增益）時，增益為：
(3)此時，差分輸入只需為21 mV。
當(dāng)VGAIN = 0.1 V 時，增益為：
(4)對于相同的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，以實現(xiàn)正確的擺幅。每個輸出只會產(chǎn)生一半的正弦波信號，如圖6 所示。
每個輸出峰值為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，通過構(gòu)建簡單的電阻分壓器，可以輕松實現(xiàn)衰減。由于信號擺幅并不統(tǒng)一，因此，信號峰值應(yīng)該會達到預(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，超過了該設(shè)計的20 MHz 帶寬。將抗混疊極點設(shè)為20 MHz，則所需電容為：
(6)這是一個標(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)建該級并進行測量。總體變化在±0.6 dB 之內(nèi)，如圖8 所示。
圖8. AD8338 配置的計算所得增益和實測增益
ADA4870 輸出級
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)置該增益需要兩個電阻，無外部補償情況下，該級很穩(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。有三種通用實現(xiàn)方案：
1. 從放大器直接輸出至50 Ω
2. 填充自動變壓器輸出至50 Ω
3. 未填充自動變壓器輸出至50 Ω
對于直接輸出，放大器輸出直接連接輸出連接器，無需用任何網(wǎng)絡(luò)來轉(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)動連接
對于焊盤式設(shè)計，16 Ω 負(fù)載在一個8 Ω 的串聯(lián)焊盤與經(jīng)濾波處理的1.5:1 自動變壓器之間分配，如圖10 所示。在該模式下，由于設(shè)計具有低阻抗特性，因此，設(shè)計師使用的電感值可以比用于50 Ω設(shè)計的電感小6.25 倍。低通濾波器和自動變壓器把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，反射可能成為一個問題，比如，傳輸線路較長時。
圖10.焊盤式輸出設(shè)計的ADA4870 連接
在目標(biāo)頻段內(nèi)，對于任何反射， 輸入阻抗均表現(xiàn)為50 Ω
最后一個選項，也可能是信號發(fā)生器最有用的選項，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)計的標(biāo)稱阻抗為16 Ω）的值小3.125 倍。在這種情況下，自動變壓器使用的匝數(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)動約16 W 至50 Ω 負(fù)載（8 W rms 或39 dBm）。
圖11. 用于驅(qū)動50 Ω 負(fù)載的最佳功率輸出連接
整體解決方案
在現(xiàn)實世界中，如果與真實世界不相符，仿真和等式毫無意義。因此，有必要構(gòu)建一個完整的系統(tǒng)，基于預(yù)期值測量其性能。圖12 所示為一種實際焊盤式輸出設(shè)計的原理圖。
圖12. 完整的簡化原理圖
圖13 所示為無濾波器條件下的實測結(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2.75 W rms（5.5 W 峰值）（P1dB壓縮點，34 dBm）。值得注意的是，總增益范圍超過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。無濾波器時，系統(tǒng)在36 dBm時出 現(xiàn)一個P1dB 點。FTEST = 14.0956 MHz
增益范圍可通過改善DDS 輸出端濾波機制以及降低系統(tǒng)噪聲的方式提高。圖14 所示為采用濾波器時的相同測量值。濾波輸出不存在同樣的P1dB 問題，結(jié)果將滿量程+36 dBm 輸出轉(zhuǎn)換成50 Ω負(fù)載。總增益線性度更佳(≤0.65 dB)，誤差僅出現(xiàn)在中間電平周圍。
圖14. 5 階低通濾波器的實測輸出(fc = 20 MHz)。FTEST = 14.0956 MHz
如果具體運行模式需要甚至更高的輸出功率，則針對給定應(yīng)用，可以將多個輸出放大用于驅(qū)動專業(yè)變壓器。或者，可以將這里描述的設(shè)計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)計的限制要求。
注意，受累積輸入衰減和增益誤差影響，測量上限止于VGAIN =0.9375 V。通過調(diào)整初始衰減網(wǎng)絡(luò)，充分考慮總系統(tǒng)誤差，可以解決這個問題。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，可以為新一代信號發(fā)生器構(gòu)建出一種簡單前端。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等對數(shù)放大器。增加對數(shù)放大器后，配合AD9834C 等DDS，設(shè)計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)，將其作為一項內(nèi)在功能；通過創(chuàng)造性地使用兩個基本模塊，實現(xiàn)不盡其數(shù)的選項。
參考電路
電流反饋放大器。
對數(shù)放大器/檢測器。
Signal Synthesis.
可變增益放大器(VGA)。
MT-034 指南，電流反饋(CFB)運算放大器。
MT-057 指南，高速電流反饋運算放大器。
MT-060 指南，在電壓反饋和電流反饋運算放大器之間選擇。
MT-072 指南，精密可變增益放大器。
MT-073 指南，高速可變增益放大器。
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