干货 | 大功率信号发生器输出级设计

作者:Thomas Brand,ADI现场应用工程师

信号发生器用来产生确定性电信号,其特性随时间推移而变化。如果这些信号表现为简单的周期波形,如正弦波、方波或三角波,那么这种信号发生器称为函数发生器。它们通常用于检查电路或PCBA的功能。将确定性信号加到被测电路的输入端,输出端连接至相应的测量设备(例如示波器)用户就可以对其进行评估。过去,挑战通常包括如何设计信号发生器的输出级。本文介绍如何利用电压增益放大器VGA和电流反馈放大器CFA设计小型经济的输出级。

典型的信号发生器提供25mV5V输出电压。为了驱动50Ω或更高的负载一般会在输出端使用大功率分立器件、多个并行器件或者成本高昂的ASIC。其内部通常具有继电器,可以使设备在不同的放大或衰减等级之间进行切换,从而调节输出电平。根据需要,在对继电器开关实现各种增益时,在一定程度上会导致工作不连续。简化框图如图1所示。

图1:典型信号发生器输出级的简化方框图。

图1典型信号发生器输出级的简化框图

使用新款放大器IC作为输出级功放,可以在没有任何内部继电器的情况下直接驱动负载因此简化信号发生器的输出设计,降低复杂度和成本。这种输出的两个主要器件构成一个大功率输出级,提供高速、高和大电流,以及具有连续线性微调功能的可变放大器。

图2.带VGA的信号发生器输出级的简化框图

图2.带VGA的信号发生器输出级的简化框图

首先初始输入信号必须通过VGA放大或衰减。VGA的输出信号可以设置为所需的幅度与输入信号无关。例如对于增益为10输出幅度VOUT2V的情况,VGA的输出幅度必须调整至0.2V。遗憾的是,许多VGA都会因为增益范围有限而产生瓶颈——增益范围大于45dB的情况很少。

ADI公司在低功耗VGA AD8338上实现了0dB至80dB可编程增益范围。因此,在理想条件下,可以将信号发生器的输出幅度连续设置在0.5mV和5V之间,无需使用额外继电器或开关网络。通过去除这些机械元件,可以避免不连续的输出。因为数模转换器(DAC)和直接数字频率合成器(DDS)通常具有差分输出,所以AD8338提供全差分接口。此外,通过灵活的输入级,输入电流有任何不对称都可以通过内部反馈回路得到补偿。同时,内部节点保持在1.5V。在正常情况下,最大1.5V输入信号在500Ω输入电阻时会产生3mA电流。在更高输入幅度(例如15V)的情况下,可能需要在输入引脚串联一个更大的电阻——其阻值要确保所产生的电流同样为3mA大小

许多商用信号发生器在50Ω(正弦波)负载下提供最大250mW(24dBm)的有效输出功率。但是,这对于具有较输出功率的应用通常不够用,例如测试HF放大器或生成超声脉冲之所需。因此,还需要使用电流反馈放大器。ADA4870在±20V电源电压下,可以在输出端以17V的幅度提供1A的驱动电流可以在情况下生成高达23MHz的正弦波因此成为通用任意波形发生器的理想前端驱动器。为了优化输出信号摆幅,ADA4870的增益配置10,因此所需的输入幅度为1.6V。但是,由于ADA4870具有地参考输入,而上游的AD8338具有差分输出,因此在两个器件之间连接差分接收器放大器,而实现差分到地参考的转换。AD8130提供270MHz的增益带宽积(GBWP),压摆率为1090V/µs,非常适合这种应用。AD8338的输出限制在±1V,因此AD8130的中间增益应设计为1.6V/V。整体电路配置如图3所示,其可在22.4V(39dBm)幅度和50Ω负载下实现20MHz带宽。

图3:采用分立设计的信号发生器输出级的简化电路。

图3采用分立设计的信号发生器输出级的简化电路

通过功率VGA(AD8338)大功率CFA(ADA4870)和差分接收器放大器(AD8130)组合可以相对轻松地设计出小尺寸大功率信号发生器输出级。它具有更高的系统可靠性、更长的服务寿命和更低的成本,因此传统输出级更优

参考文献

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

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