大功率信號發生器輸出級設計

信號發生器用來產生確定性電信號，其特性隨時間推移而變化。如果這些信號表現為簡單的周期性波形，如正弦波、方波或三角波，那么這種信號發生器就稱為函數發生器。它們通常用于檢查電路或PCBA的功能。將確定性信號加到被測電路的輸入端，將輸出端連接至相應的測量設備（例如示波器），用戶就可以對其進行評估。過去，挑戰通常包括如何設計信號發生器的輸出級。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）設計小型經濟的輸出級。

典型的信號發生器可提供25mV至5V輸出電壓。為了驅動50Ω或更高的負載，一般會在輸出端使用大功率分立器件、多個并行器件，或者成本高昂的ASIC。其內部通常具有繼電器，可以使設備在不同的放大或衰減等級之間進行切換，從而調節輸出電平。根據需要，在對繼電器開關而實現各種增益時，在一定程度上會導致工作不連續。簡化方框圖如圖1所示。

圖1 典型信號發生器輸出級的簡化方框圖

使用新款放大器IC作為輸出級功放，可以在沒有任何內部繼電器的情況下直接驅動負載，因此可簡化信號發生器的輸出級設計，并降低復雜度和成本。這種輸出的兩個主要器件構成一個大功率輸出級，可提供高速、高電壓和大電流，以及具有連續線性微調功能的可變放大器。

圖2 帶VGA的信號發生器輸出級的簡化框圖

首先，初始輸入信號必須通過VGA放大或衰減。VGA的輸出信號可以設置為所需的幅度，而與輸入信號無關。例如，對于增益為10、輸出幅度VOUT為2V的情況，VGA的輸出幅度必須調整至0.2V。遺憾的是，許多VGA都會因為增益范圍有限而產生瓶頸——增益范圍大于45dB的情況很少。

ADI公司在低功耗VGA AD8338上實現了0dB至80dB可編程增益范圍。因此，在理想條件下，可以將信號發生器的輸出幅度連續設置在0.5mV和5V之間，而無需使用額外的繼電器或開關網絡。通過去除這些機械元件，可以避免不連續的輸出。因為數模轉換器（DAC）和直接數字頻率合成器（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，輸入電流有任何的不對稱，都可以通過內部反饋回路得到補償。同時，內部節點保持在1.5V。在正常情況下，最大1.5V輸入信號在500Ω輸入電阻時會產生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一個更大的電阻——其阻值要確保所產生的電流同樣為3mA大小。

許多商用信號發生器在50Ω（正弦波）負載下提供最大250mW（24dBm）的有效輸出功率。但是，這對于具有較大輸出功率的應用通常不夠用，例如測試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的驅動電流。它可以在滿載情況下生成高達23MHz的正弦波，因此成為了通用任意波形發生器的理想前端驅動器。為了優化輸出信號擺幅，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，因此在兩個器件之間應連接差分接收器放大器，而實現差分到地參考的轉換。 AD8130 提供270MHz的增益帶寬積（GBWP），壓擺率為1090V/μs，非常適合這種應用。AD8338的輸出限制在±1V，因此AD8130的中間增益應設計為1.6V/V。整體電路配置如圖3所示，其可在22.4V（39dBm）幅度和50Ω負載下實現20MHz帶寬。

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，就可以相對輕松地設計出小尺寸大功率的信號發生器輸出級。它具有更高的系統可靠性、更長的服務壽命和更低的成本，因此比傳統輸出級更優。

圖3 采用分立設計的信號發生器輸出級的簡化電路

參考文獻：

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