大功率信號(hào)發(fā)生器輸出級(jí)設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生器用來(lái)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(chēng)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(hù)就可以對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。過(guò)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(kāi)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。

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(méi)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(xiàn)性微調(diào)功能的可變放大器。

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(guò)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(wú)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(wú)需使用額外的繼電器或開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)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(guò)靈活的輸入級(jí)，輸入電流有任何的不對(duì)稱(chēng)，都可以通過(guò)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(mǎn)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A(yíng)DA4870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。

通過(guò)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)。

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

參考文獻(xiàn)：

Hunter, David. “ Two New Devices Help Reinvent the Signal Generator .” Analog Dialogue, October 2014.