圖1. 典型信號發生器模型

 

在(zai)使(shi)用(yong)通(tong)用(yong)信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)時(shi)，先(xian)輸(shu)入(ru)一(yi)個(ge)頻(pin)率(lv)，然(ran)後(hou)按(an)下(xia)一(yi)個(ge)按(an)鈕(niu)，最(zui)後(hou)儀(yi)器(qi)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)新(xin)的(de)頻(pin)率(lv)。接(jie)下(xia)來(lai)
，輸(shu)入(ru)所(suo)需(xu)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)，再(zai)按(an)下(xia)另(ling)一(yi)個(ge)按(an)鈕(niu)。在(zai)切(qie)換(huan)內(nei)部(bu)網(wang)絡(luo)
、調(tiao)整(zheng)輸(shu)出(chu)電(dian)平(ping)時(shi)，繼(ji)電(dian)器(qi)發(fa)出(chu)哢(ka)噠(da)聲(sheng)。這(zhe)種(zhong)非(fei)連(lian)續(xu)運(yun)行(xing)模(mo)式(shi)是(shi)補(bu)償(chang)寬(kuan)可(ke)編(bian)程(cheng)範(fan)圍(wei)缺(que)失(shi)問(wen)題(ti)的(de)必(bi)要(yao)條(tiao)件(jian)。本(ben)文(wen)提(ti)出(chu)一(yi)種(zhong)新(xin)的(de)架(jia)構(gou)
，它(ta)可(ke)以(yi)解(jie)決(jue)輸(shu)出(chu)級(ji)設(she)計(ji)中(zhong)的(de)一(yi)半(ban)問(wen)題(ti)。

 

克服這個前端設計挑戰的兩個關鍵組件是：提供高速、高電壓和高輸出電流的高性能輸出級；以及帶連續線性dB 調諧的可變增益放大器(VGA)。這種設計以20MHz 的性能為目標
，幅度為22.4 V(+39 dBm)
，負載為50 Ω。

 

圖2. 更小、更簡單的信號發生器輸出級

 

新型緊湊式輸出級

 

初始信號可能來自數模轉換器(DAC)以產生複雜波形，也可能來自直接數字頻率合成(DDS)器件以產生正弦波。任一情況下，其規格和功率調整能力都可能達不到理想狀態。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，往往不足以在本應用中發揮作用。

 

如果VGA 的輸出可以設為目標電平
，則無論輸入為何，都可以強製輸出已知幅度。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 的輸出幅度應調節至0.2 V。當輸出級設計正確時，輸出幅度最終由VGA 輸出設定。不幸的是，多數VGA因可編程範圍有限而成了瓶頸問題。

 

AD8330是實現50 dB 範圍的首款VGA，但AD8338則樹立了新的標杆
，這款新型低功耗VGA 擁有高達80 dB 的可編程範圍。典型的高品質信號發生器的輸出幅度範圍為25 mV 至5 V。高達46 dB的可調範圍超過了市麵上多數現有VGA 的能力範圍。理想條件下，經典信號發生器的輸出幅度可能為0.5 mV 至5 V，無(wu)需(xu)使(shi)用(yong)繼(ji)電(dian)器(qi)或(huo)開(kai)關(guan)網(wang)絡(luo)。滿(man)量(liang)程(cheng)連(lian)續(xu)可(ke)調(tiao)
，不(bu)存(cun)在(zai)開(kai)關(guan)和(he)繼(ji)電(dian)器(qi)的(de)非(fei)連(lian)續(xu)性(xing)問(wen)題(ti)。另(ling)外(wai)，不(bu)用(yong)繼(ji)電(dian)器(qi)還(hai)可(ke)以(yi)延(yan)長(chang)儀(yi)器(qi)壽(shou)命(ming)
，提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)。

 

現代DAC 和DDS 器件一般搭載差分輸出

，要求設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單端轉換器。AD8338 具有天然的適用性，提供全差分接口，如圖3 所示。對於正弦波應用，用DDS 取代DAC。

 

圖3. 把DAC 連接至AD8338 的網絡示例

 

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 發明的"H-amp"拓撲結構來控製輸入電流。該設計用反饋來平衡輸入電流，同時使內部節點電壓維持於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：其總增益範圍在不同設定點周圍。首先，確定信號發生器產生最大輸出需要的輸出電平。許多商用發生器為50 Ω 負載（正弦波）隻提供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用需求
，比如測試高輸出高頻放大器
、超聲脈衝發生等。

 

電流反饋放大器(CFA)技術的進步意味著，這不再是個問題。ADA4870CFA 可以用±20 V 電源驅動1 A（17 V）。對於正弦波，可以在滿負載條件下輸出最高23 MHz 的頻率，使其成為新一代通用任意波形/信號發生器的理想前端驅動器。

 

對於反射敏感型50 Ω 係統來說，ADA4870 要求一些無源器件使源阻抗與50 Ω 負載相匹配：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
，當放大器有效負載為16 Ω 時
，可取得8 W 峰值功率。另外，如果反射不構成問題
，則可移除阻性焊盤
，並用匝數比為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 驅動16 Ω（增益= 10）時的基本連接

 

為優化輸出信號擺幅，我們將ADA4870 的增益倍數配置為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換和所需增益。AD8338 的輸出限製為±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生器輸出級。

 

圖5. 信號發生器輸出級

 

完成整個設計還需要最後兩個步驟：配置輸入網絡以實現最大輸入信號和抗混疊，設計輸出網絡以實現阻抗轉換。

 

AD8338 輸入網絡

 

對於該設計
，差分輸出幅度為±1.0 V。在工廠默認設置、內部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
，設計師可以調節該要求。由輸入電阻決定的增益範圍為：

 

(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 實現良好平衡。當V_GAIN = 1.1 V（最大增益）時
，增益為：

 

(3)

 

此時，差分輸入隻需為21 mV。

 

當V_GAIN = 0.1 V 時，增益為：

 

  (4)

 

對於相同的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 的輸出幅度範圍為1.6 mV 至16 V。在阻性焊盤和自動變壓器之後，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，以實現正確的擺幅。每個輸出隻會產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，通過構建簡單的電阻分壓器
，可以輕鬆實現衰減。由於信號擺幅並不統一，因此
，信號峰值應該會達到預期衰減值。

 

圖6. 9834C IIOUT 和IIOUT的輸出擺幅。未顯示混疊偽像

 

(5)

 

使用標準的6.98 Ω 和191 Ω 電阻值
，結果會產生0.7%的誤差。

 

最後，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，超過了該設計的20 MHz 帶寬。將抗混疊極點設為20 MHz，則所需電容為：

 

(6)

 

這是一個標準值，因此，完整的輸入網絡如圖7 所示：

 

圖7. DDS + 衰減和濾波器網絡 + AD8338

 

構建該級並進行測量。總體變化在±0.6 dB 之內，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 將執行最終10倍bei增zeng益yi。設she置zhi該gai增zeng益yi需xu要yao兩liang個ge電dian阻zu，無wu外wai部bu補bu償chang情qing況kuang下xia
，該gai級ji很hen穩wen定ding。未wei完wan成cheng的de唯wei一yi工gong作zuo是shi調tiao整zheng輸shu出chu網wang絡luo，以yi滿man足zu應ying用yong需xu求qiu。有you三san種zhong通tong用yong實shi現xian方fang案an：

 

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

 

對於直接輸出
，放大器輸出直接連接輸出連接器，無需用任何網絡來轉換源
，如圖9 所示。這種方法是真直流連接源的完美選擇，雖然不能發揮出器件的全部潛力
，但仍然比典型信號發生器的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. 直接輸出驅動連接

 

對於焊盤式設計，16 Ω 負載在一個8 Ω 的串聯焊盤與經濾波處理的1.5:1 自動變壓器之間分配
，如圖10 所示。在該模式下，由於設計具有低阻抗特性，因此，設計師使用的電感值可以比用於50 Ω設計的電感小6.25 倍。低通濾波器和自動變壓器把8 Ω 有效源阻抗轉換成匹配良好的50 Ω 負載。這種設計方法的總峰值輸出功率為8 W，最適合需要50 Ω 匹配源的應用，在這類應用中，反射可能成為一個問題，比如
，傳輸線路較長時。

 

圖10.焊盤式輸出設計的ADA4870 連接

 

在目標頻段內，對於任何反射， 輸入阻抗均表現為50 Ω

 

最後一個選項，也可能是信號發生器最有用的選項
，不使用8 Ω焊盤
，而且輸出功率提高了一倍。我們仍然建議使用LC 階梯式濾波器，如圖11 所示
，但階梯值比用於50 Ω 係統（設計的標稱阻抗為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 將驅動約16 W 至50 Ω 負載（8 W rms 或39 dBm）。

 

圖11. 用於驅動50 Ω 負載的最佳功率輸出連接

 

整體解決方案

 

在現實世界中

，如果與真實世界不相符，仿真和等式毫無意義。因此，有必要構建一個完整的係統，基於預期值測量其性能。圖12 所示為一種實際焊盤式輸出設計的原理圖。

 

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果。係統增益一致性誤差為±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，總增益範圍超過62 dB，範圍比許多標準發生器多16 dB。

 

圖13. 焊盤式

、未濾波輸出功率結果。無濾波器時

，係統在36 dBm時出 現一個P1dB 點。F_TEST = 14.0956 MHz

 

增益範圍可通過改善DDS 輸出端濾波機製以及降低係統噪聲的方式提高。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
，結果將滿量程+36 dBm 輸出轉換成50 Ω負載。總增益線性度更佳(≤0.65 dB)，誤差僅出現在中間電平周圍。

 

圖14. 5 階低通濾波器的實測輸出(fc = 20 MHz)。F_TEST = 14.0956 MHz

 

ruguojutiyunxingmoshixuyaoshenzhigenggaodeshuchugonglv，zezhenduigeidingyingyong

，keyijiangduogeshuchufangdayongyuqudongzhuanyebianyaqi。huozhe
，keyijiangzhelimiaoshudeshejifangfayongyudianyuanjiaodidexitong
，danzhexiefangfabixufuhetidaishejidexianzhiyaoqiu。

 

注意
，受累積輸入衰減和增益誤差影響

，測量上限止於V_GAIN =0.9375 V。通過調整初始衰減網絡
，充分考慮總係統誤差，可以解決這個問題。校正後
，總係統增益範圍將增至74 dB。

 

結論

 

配合高性能VGA 使用高性能
、高輸出CFA
，可以為新一代信號發生器構建出一種簡單前端。這些器件的高度集成可以降低PCB電路板的總麵積和成本。

 

要獲得更多功能，可以在閉環反饋係統中使用AD8310等對數放大器。增加對數放大器後，配合AD9834C 等DDS
，設計師可以集成各種形式的包絡調製
，如頻移鍵控(FSK)、開關鍵控(OOK)和相移鍵控(PSK)，將其作為一項內在功能；通過創造性地使用兩個基本模塊，實現不盡其數的選項。

 

參考電路

 

電流反饋放大器。

 

對數放大器/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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