ADI:两款新器材重塑信号发生器

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曩昔，恣意波形发作器最扎手的部分是输出级的规划。典型信号发作器的输出规模在25 mV 到5 V 之间。为了驱动一个50 Ω 的负载，传统规划选用高功用分立式器材，并联很多集成器材，或许本钱贵重的ASIC，而要构造出安稳且可编程规模较宽的高功用输出级，规划师往往要投入很多小时的时刻。现在，技能前进带来的扩大器能够驱动这些负载，下降输出级的杂乱性，一起还能削减本钱、缩短上市时刻。

在运用通用信号发作器时，先输入一个频率，然后按下一个按钮，终究仪器发作一个新的频率。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、调整输出电平常，继电器宣布咔哒声。这种非接连运转形式是补偿宽可编程规模缺失问题的必要条件。本文提出一种新的架构，它能够处理输出级规划中的一半问题。

战胜这个前端规划应战的两个要害组件是：供给高速、高电压和高输出电流的高功用输出级；以及带接连线性dB 调谐的可变增益扩大器(VGA)。这种规划以20MHz 的功用为方针，起伏为22.4 V(+39 dBm)，负载为50 Ω。

新式紧凑式输出级

初始信号或许来自数模转化器(DAC)以发作杂乱波形，也或许来自直接数字频率组成(DDS)器材以发作正弦波。任一情况下，其规范和功率调整才能都或许达不到抱负状况。第一个要求是用VGA供给衰减或增益。但许多VGA 供给的增益是有限的，往往不足以在本运用中发挥作用。

假如VGA 的输出能够设为方针电平，则不管输入为何，都能够强制输出已知起伏。例如，假如所需输出起伏为2 V，且功率输出级的增益为10，则VGA 的输出起伏应调理至0.2 V。当输出级规划正确时，输出起伏终究由VGA 输出设定。不幸的是，大都VGA因可编程规模有限而成了瓶颈问题。

AD8330是完结50 dB 规模的首款VGA，但AD8338则树立了新的标杆，这款新式低功耗VGA 具有高达80 dB 的可编程规模。典型的高品质信号发作器的输出起伏规模为25 mV 至5 V。高达46 dB的可调规模超越了市面上大都现有VGA 的才能规模。抱负条件下，经典信号发作器的输出起伏或许为0.5 mV 至5 V，无需运用继电器或开关网络。满量程接连可调，不存在开关和继电器的非接连性问题。别的，不必继电器还能够延伸仪器寿数，前进体系可靠性。

现代DAC 和DDS 器材一般搭载差分输出，要求规划师运用一个变压器，用单端衔接丢失一半信号，或许添加一个差分转单端转化器。AD8338 具有天然的适用性，供给全差分接口，如图3 所示。关于正弦波运用，用DDS 代替DAC。

AD8338 的一个首要特点是灵敏的输入级。作为一款输入VGA，它经过ADI 研究员Barrie Gilbert 创造的”H-amp”拓扑结构来操控输入电流。该规划用反应来平衡输入电流，一起使内部节点电压保持于1.5 V。正常条件下，运用500 Ω 输入电阻，最大1.5 V输入信号会发作3 mA 的电流。假如输入起伏较大，比方15 V，则将一个较大的电阻衔接至”直接”输入引脚。该电阻的巨细有必要适宜，以得到相同的3 mA 电流：

(1)

单端15 V 信号将以差分办法输出1.141 V。此刻，最小增益条件下，AD8338 供给28.4 dB 衰减，因而，最大或许增益为+51.6 dB。作为一种低功耗器材，在1 kΩ 负载条件下，典型输出摆幅为1.5 V。

输入VGA 的功率有必要满意以下条件：其总增益规模在不同设定点周围。首要，确认信号发作器发作最大输出需求的输出电平。许多商用发作器为50 Ω 负载（正弦波）只供给250 mW rms (+24 dBm)的最大输出功率。这无法满意需求更多输出功率的运用需求，比方测验高输出高频扩大器、超声脉冲发作等。

电流反应扩大器(CFA)技能的前进意味着，这不再是个问题。ADA4870CFA 能够用±20 V 电源驱动1 A（17 V）。关于正弦波，能够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恣意波形/信号发作器的抱负前端驱动器。

关于反射灵敏型50 Ω 体系来说，ADA4870 要求一些无源器材使源阻抗与50 Ω 负载相匹配：一个阻性焊盘和一个1.5:1 RF 主动变压器。在1 V 裕量条件下，当扩大器有用负载为16 Ω 时，可取得8 W 峰值功率。别的，假如反射不构成问题，则可移除阻性焊盘，并用匝数比为0.77:1 的变压器代替主动变压器。无阻性焊盘地，输出功率增至16 W峰值（28.3 V 起伏）。

为优化输出信号摆幅，咱们将ADA4870 的增益倍数装备为10，因而，所需输入起伏为1.6 V。ADA4870 有一个单端输入，AD8338有一个差分输出，因而，AD8130 差分接纳扩大器及其270 MHz增益带宽积和1090 V/μs 压摆率可一起供给差分至单端转化和所需增益。AD8338 的输出约束为±1.0 V，因而，AD8130 有必要供给1.6 V/V 的中心增益。组合起来时，三个器材构成一个完好的信号发作器输出级。

完结整个规划还需求终究两个过程：装备输入网络以完结最大输入信号和抗混叠，规划输出网络以完结阻抗转化。

AD8338 输入网络

关于该规划，差分输出起伏为±1.0 V。在工厂默认设置、内部500 Ω电阻和最大增益条件下，输入起伏必定是100 μV。经过向直接输入引脚添加电阻，规划师能够调理该要求。由输入电阻决议的增益规模为：

(2)

在各输入端运用40.2 kΩ 的电阻，能够在噪声功率与输入衰减之间 完结杰出平衡。当V_GAIN = 1.1 V（最大增益）时，增益为：

(3)

此刻，差分输入只需为21 mV。

当V_GAIN = 0.1 V 时，增益为：

(4)

关于相同的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 的输出起伏规模为1.6 mV 至16 V。在阻性焊盘和主动变压器之后，输出端的电压将在2 mV 到20 V 之间。

把AD8338 衔接至DDS 等器材，要求考虑抗混叠和输入衰减。例如，差分输出AD9834CDDS 要求200 Ω 电阻接地，以完结正确的摆幅。每个输出只会发作一半的正弦波信号，如图6 所示。

每个输出峰值为0.6 V，使得有用输入为±0.6 V，所需衰减为26 dB。在运用200 Ω 电阻时，经过构建简略的电阻分压器，能够轻松完结衰减。因为信号摆幅并不一致，因而，信号峰值应该会到达预期衰减值。

(5)

运用规范的6.98 Ω 和191 Ω 电阻值，成果会发作0.7%的差错。

终究，需求必定的抗混叠处理。在75-MSPS 采样速率下，奈奎斯特速率输出为37.5 MHz，超越了该规划的20 MHz 带宽。将抗混叠极点设为20 MHz，则所需电容为：

(6)

这是一个规范值，因而，完好的输入网络如图7 所示：

构建该级并进行丈量。全体改变在±0.6 dB 之内，如图8 所示。

ADA4870 输出级

在单端输出由AD8130 供给的情况下，ADA4870 将履行终究10倍增益。设置该增益需求两个电阻，无外部补偿情况下，该级很安稳。未完结的仅有作业是调整输出网络，以满意运用需求。有三种通用完结计划：

1. 从扩大器直接输出至50 Ω
2. 填充主动变压器输出至50 Ω
3. 未填充主动变压器输出至50 Ω

关于直接输出，扩大器输出直接衔接输出衔接器，无需用任何网络来转化源，如图9 所示。这种办法是真直流衔接源的完美挑选，尽管不能发挥出器材的悉数潜力，但依然比典型信号发作器的10 V输出起伏要好得多。在这种情况下，最大峰值功率为5.12 W。

关于焊盘式规划，16 Ω 负载在一个8 Ω 的串联焊盘与经滤波处理的1.5:1 主动变压器之间分配，如图10 所示。在该形式下，因为规划具有低阻抗特性，因而，规划师运用的电感值能够比用于50 Ω规划的电感小6.25 倍。低通滤波器和主动变压器把8 Ω 有用源阻抗转化成匹配杰出的50 Ω 负载。这种规划办法的总峰值输出功率为8 W，最适合需求50 Ω 匹配源的运用，在这类运用中，反射或许成为一个问题，比方，传输线路较长时。

终究一个选项，也或许是信号发作器最有用的选项，不运用8 Ω焊盘，并且输出功率前进了一倍。咱们依然主张运用LC 阶梯式滤波器，如图11 所示，但阶梯值比用于50 Ω 体系（规划的标称阻抗为16 Ω）的值小3.125 倍。在这种情况下，主动变压器运用的匝数比为0.77:1。该形式下，峰值正弦波输出起伏为28.3 V，ADA4870 将驱动约16 W 至50 Ω 负载（8 W rms 或39 dBm）。

全体处理计划

在实践国际中，假如与实在国际不相符，仿真和等式毫无意义。因而，有必要构建一个完好的体系，根据预期值丈量其功用。图12 所示为一种实践焊盘式输出规划的原理图。

图13 所示为无滤波器条件下的实测成果。体系增益一致性差错为±1 dB，最差条件下输出功率高达2.75 W rms（5.5 W 峰值）（P1dB紧缩点，34 dBm）。值得留意的是，总增益规模超越62 dB，规模比许多规范发作器多16 dB。

增益规模可经过改进DDS 输出端滤波机制以及下降体系噪声的办法前进。图14 所示为选用滤波器时的相同丈量值。滤波输出不存在相同的P1dB 问题，成果将满量程+36 dBm 输出转化成50 Ω负载。总增益线性度更佳(≤0.65 dB)，差错仅出现在中心电平周围。

假如详细运转形式需求乃至更高的输出功率，则针对给定运用，能够将多个输出扩大用于驱动专业变压器。或许，能够将这儿描绘的规划办法用于电源较低的体系，但这些办法有必要契合代替规划的约束要求。

留意，受累积输入衰减和增益差错影响，丈量上限止于VGAIN =0.9375 V。经过调整初始衰减网络，充分考虑全体系差错，能够处理这个问题。校正后，全体系增益规模将增至74 dB。

定论

合作高功用VGA 运用高功用、高输出CFA，能够为新一代信号发作器构建出一种简略前端。这些器材的高度集成能够下降PCB电路板的总面积和本钱。

要取得更多功用，能够在闭环反应体系中运用AD8310等对数扩大器。添加对数扩大器后，合作AD9834C 等DDS，规划师能够集成各种形式的包络调制，如频移键控(FSK)、开要害控(OOK)和相移键控(PSK)，将其作为一项内涵功用；经过创造性地运用两个根本模块，完结不尽其数的选项。

参阅电路

电流反应扩大器。

对数扩大器/检测器。

Signal Synthesis.

可变增益扩大器(VGA)。

MT-034 攻略，电流反应(CFB)运算扩大器。

MT-057 攻略，高速电流反应运算扩大器。

MT-060 攻略，在电压反应和电流反应运算扩大器之间挑选。

MT-072 攻略，精细可变增益扩大器。

MT-073 攻略，高速可变增益扩大器。