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功能強(qiáng)大的信號(hào)發(fā)生器輸出級(jí)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2020-12-04 來源:Thomas Brand,ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】信號(hào)發(fā)生器用來產(chǎn)生確定性電信號(hào),其特性隨時(shí)間推移而變化。如果這些信號(hào)表現(xiàn)為簡(jiǎn)單的周期性波形,如正弦波、方波或三角波,那么這種信號(hào)發(fā)生器就稱為函數(shù)發(fā)生器。它們通常用于檢查電路或PCBA的功能。將確定性信號(hào)加到被測(cè)電路的輸入端,將輸出端連接至相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備(例如示波器),用戶就可以對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。過去,挑戰(zhàn)通常包括如何設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器的輸出級(jí)。本文將介紹如何利用電壓增益放大器(VGA)和電流反饋放大器(CFA)設(shè)計(jì)小型經(jīng)濟(jì)的輸出級(jí)。
 
典型的信號(hào)發(fā)生器可提供25mV至5V輸出電壓。為了驅(qū)動(dòng)50Ω或更高的負(fù)載,一般會(huì)在輸出端使用大功率分立器件、多個(gè)并行器件,或者成本高昂的ASIC。其內(nèi)部通常具有繼電器,可以使設(shè)備在不同的放大或衰減等級(jí)之間進(jìn)行切換,從而調(diào)節(jié)輸出電平。根據(jù)需要,在對(duì)繼電器開關(guān)而實(shí)現(xiàn)各種增益時(shí),在一定程度上會(huì)導(dǎo)致工作不連續(xù)。簡(jiǎn)化方框圖如圖1所示。
 
大功率信號(hào)發(fā)生器輸出級(jí)設(shè)計(jì)
圖1:典型信號(hào)發(fā)生器輸出級(jí)的簡(jiǎn)化方框圖。
 
使用新款放大器IC作為輸出級(jí)功放,可以在沒有任何內(nèi)部繼電器的情況下直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載,因此可簡(jiǎn)化信號(hào)發(fā)生器的輸出級(jí)設(shè)計(jì),并降低復(fù)雜度和成本。這種輸出的兩個(gè)主要器件構(gòu)成一個(gè)大功率輸出級(jí),可提供高速、高電壓和大電流,以及具有連續(xù)線性微調(diào)功能的可變放大器。
 
大功率信號(hào)發(fā)生器輸出級(jí)設(shè)計(jì)
圖2.帶VGA的信號(hào)發(fā)生器輸出級(jí)的簡(jiǎn)化框圖
 
首先,初始輸入信號(hào)必須通過VGA放大或衰減。VGA的輸出信號(hào)可以設(shè)置為所需的幅度,而與輸入信號(hào)無關(guān)。例如,對(duì)于增益為10、輸出幅度VOUT為2V的情況,VGA的輸出幅度必須調(diào)整至0.2V。遺憾的是,許多VGA都會(huì)因?yàn)樵鲆娣秶邢薅a(chǎn)生瓶頸——增益范圍大于45dB的情況很少。
 
ADI公司在低功耗VGA AD8338上實(shí)現(xiàn)了0dB至80dB可編程增益范圍。因此,在理想條件下,可以將信號(hào)發(fā)生器的輸出幅度連續(xù)設(shè)置在0.5mV和5V之間,而無需使用額外的繼電器或開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。通過去除這些機(jī)械元件,可以避免不連續(xù)的輸出。因?yàn)閿?shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和直接數(shù)字頻率合成器(DDS)通常具有差分輸出,所以AD8338提供全差分接口。此外,通過靈活的輸入級(jí),輸入電流有任何的不對(duì)稱,都可以通過內(nèi)部反饋回路得到補(bǔ)償。同時(shí),內(nèi)部節(jié)點(diǎn)保持在1.5V。在正常情況下,最大1.5V輸入信號(hào)在500Ω輸入電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生3mA電流。在更高輸入幅度(例如15V)的情況下,可能需要在輸入引腳串聯(lián)一個(gè)更大的電阻——其阻值要確保所產(chǎn)生的電流同樣為3mA大小。
 
許多商用信號(hào)發(fā)生器在50Ω(正弦波)負(fù)載下提供最大250mW(24dBm)的有效輸出功率。但是,這對(duì)于具有較大輸出功率的應(yīng)用通常不夠用,例如測(cè)試HF放大器或生成超聲波脈沖之所需。因此,還需要使用電流反饋放大器。ADA4870在±20V電源電壓下,可以在輸出端以17V的幅度提供1A的驅(qū)動(dòng)電流。它可以在滿載情況下生成高達(dá)23MHz的正弦波,因此成為了通用任意波形發(fā)生器的理想前端驅(qū)動(dòng)器。為了優(yōu)化輸出信號(hào)擺幅,ADA4870的增益配置成10,因此所需的輸入幅度為1.6V。但是,由于ADA4870具有地參考輸入,而上游的AD8338具有差分輸出,因此在兩個(gè)器件之間應(yīng)連接差分接收器放大器,而實(shí)現(xiàn)差分到地參考的轉(zhuǎn)換。AD8130提供270MHz的增益帶寬積(GBWP),壓擺率為1090V/µs,非常適合這種應(yīng)用。AD8338的輸出限制在±1V,因此AD8130的中間增益應(yīng)設(shè)計(jì)為1.6V/V。整體電路配置如圖3所示,其可在22.4V(39dBm)幅度和50Ω負(fù)載下實(shí)現(xiàn)20MHz帶寬。
 
大功率信號(hào)發(fā)生器輸出級(jí)設(shè)計(jì)
圖3:采用分立設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器輸出級(jí)的簡(jiǎn)化電路。
 
通過大功率的VGA(AD8338)、大功率的CFA(ADA4870)和差分接收器放大器(AD8130)的組合,就可以相對(duì)輕松地設(shè)計(jì)出小尺寸大功率的信號(hào)發(fā)生器輸出級(jí)。它具有更高的系統(tǒng)可靠性、更長(zhǎng)的服務(wù)壽命和更低的成本,因此比傳統(tǒng)輸出級(jí)更優(yōu)。
 
參考文獻(xiàn)
 
Hunter, David. “Two New Devices Help Reinvent the Signal Generator.” Analog Dialogue, October 2014.
 
 
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