MAX4145在偽隨機碼產生電路中的應用

　　1　引言

　　隨著超大規模集成電路技術、微處理器技術的飛速發展和一些新型元器件的應用，擴頻技術已經廣泛地應用到通信的各個方面。圖1所示是一種擴頻通信系統的原理框圖。

　　一般情況下，擴頻通信系統中的發射機和接收機都必須預先知道一個預置的擴頻碼，這種擴頻碼實際上是一個足夠長且盡量接近于噪聲的偽隨機數字序列。系統通過偽隨機碼的捕獲與相關可以獲得二分之一碼元寬度的同步精度。這樣，偽隨機碼的質量以及跟蹤和同步的精度對通信質量有著直接的影響。因此，設計性能優異的高共模抑制比、低噪聲前置放大器對于擴頻通信系統有著重要意義。MAXIM公司的差分放大器MAX4145芯片以其出眾的性能在通信系統設計中應用很廣，其指標完全可以滿足擴頻通信系統中偽碼產生電路的要求。MAX4145系列芯片速率高、失真小、帶寬寬而且共模抑制比高，是高速數據傳輸系統中差分電路的理想器件，因而可廣泛應用于差分信號至單端信號的轉換電路、雙絞線與同軸線的轉換設備、高速差分信號接收電路、高速放大設備、數據采集設備以及醫療器械等方面。

　　2 MAX4145的工作原理和性能特點

　　2.1 MAX4145的工作原理

　　MAX4145采用差分模式工作。它具有信號擺幅小、偶次諧波分量少、對噪聲的抗干擾能力強等特點，相對于單端輸入方式，MAX4145可提供更優的諧波失真(THD)和無雜散動態范圍(SFDR)，因而具有較高的共模抑制比(CMRR)。

　　MAX4145內部采用三運放組合技術，可完成差分輸入、增益放大和信號輸出三種功能。其內部結構如圖2所示。其中，運放A1和A2完成差分輸入和增益放大功能，運放A3主要進行信號的輸出和阻抗匹配。

　　MAX4145除了具有輸入阻抗大的特點之外，其前級的共模增益失調及漂移產生的誤差可相互抵消，并可抑制后級共模信號， 同時可將雙端信號變為單端輸出，以適應接地負載的需要。除了三個運放之外，MAX4145還包括輸出短路自保護電路和輸入保護電路，從而增加了芯片的抗毀性。通過外接電阻RG可對增益在+1V/V～+10V/V范圍內進行設置。將RG接在管腳RG-和RG+之間時(見圖2)，其增益的計算方法為：

　　G=AV=1+(1.4kΩ/RG)

　　共模抑制比是衡量差動放大器對共模信號抑制能力的一個參數，該參數值越大，表明抑制能力越強。

　　2.2 MAX4145的性能指標

　　MAX4145的主要性能參數如下：

　　●增益可調范圍為+1V/V～+10V/V;

　　●-3dB帶寬為180MHz(VOUT≤0.1VRMS，AV=1V/V);

　　●壓擺率SR=600V/μs(-2V≤VOUT≤+2V);

　　●共模抑制比CMRR=75dB(f=10MHz);

　　●無雜散動態范圍SFDR=-92dBc(f=10kHz);

　　●噪聲為3.8nV/√Hz(G=+10V/V);

　　●建立時間ts=20ns(-2V≤VOUT≤+2V，to 0.1%);

　　●掉電模式電流為800μA。

　　3　MAX4145應用注意要點

　　可以通過將SHDN置高來使MAX4145工作在掉電模式，此時輸出為高阻態。

　　差分模式通常要求IN-和IN+對稱驅動，也就是說，兩個輸入信號在連接到IN-、IN+的驅動電路以后，其相位必須保持一致，并盡可能降低其共模增益誤差。

　　在普通應用中，REF接地時，SENCE可同OUT相連。而在一些信號傳輸距離較長的應用中，可將SENCE和OUT同時連接到負載，這樣可以補償距離損耗，降低電壓誤差。為了降低輸出增益誤差，增大頻率響應，設計時應盡量降低SENCE端的電容和阻抗，同時輸出端REF和SENCE的匹配問題也很關鍵，因為REF和SENCE端的失配會導致共模增益損失。

　　在一般使用條件下，當端接阻抗為非容性負載時，MAX4145具有最佳的AC性能。而一般在負載電容不超過25pF時，輸出電壓不會發生振蕩，但對頻率響應則會產生一定的影響，因此，如果負載電容過大，輸出就會產生振鈴。為了驅動容性較大的負載，降低信號振鈴，可以在放大器輸出和負載之間加上隔離電阻，隔離電阻阻值可由信號頻率和負載容性來確定，此時的帶寬將由隔離電阻和負載電容組成的RC環路來決定。因此，增大負載容性會降低整個電路的信號帶寬，而隔離電阻則會降低分配到負載的電壓。

　　4 在偽隨機碼產生電路中的應用

　　4.1 偽隨機碼產生電路

　　偽隨機碼序列一般可以利用移位寄存器網絡產生，該網絡由R級串聯雙態器件移位脈沖產生器和模二加法器組成。圖3所示是一個簡單的四級移位寄存器網絡示意圖，該網絡可以產生碼長為15的偽隨機碼。

　　利用FPGA可實現移位寄存器網絡以產生偽隨機碼信號，并實現邏輯控制和時鐘分配等功能。對于FPGA輸出的TTL信號，其處理方法有兩種：一種是直接送至運放進行信號調理輸出;另外一種是將TTL經過D/A轉換及信號調理后再輸出。經過分析與實際測試，筆者發現由于FPGA輸出的信號相位抖動較為嚴重，甚至會造成信號邊沿不穩，而且存在著嚴重的寄生信號，因而輸出的偽碼質量較差;而如果經過D/A轉換后再進行調理輸出，這種影響會得到削弱，信號質量會得到提高，因此第二種方法更為可取，在實際應用中，筆者就選擇該方法進行電路設計，并選擇差分電流輸出型D/A經過MAX4145放大后直接輸出。

　　基于MAX4145的偽隨機碼產生電路原理框圖如圖4所示。 該偽隨機碼產生電路在工作時，系統可以通過并口將偽碼數據分配給FPGA，也可由FP-GA自主產生偽碼信號，同時由FPGA完成信號處理、時鐘分配、碼同步產生以及波形存儲等功能。 MAX4145的作用主要是完成差分到單端輸出的轉換和放大。

　　4.2 MAX4145應用電路設計

　　根據系統對偽隨機碼的需求，MAX4145的應用電路設計如圖5所示。圖中，輸入信號IN+和IN-由上級D/A轉換后，再經匹配電路送至MAX4145。在輸出電路中，REF接地，SENCE和OUT相連，該電路的增益約等于4。

　　4.3 結果測量和分析

　　對于偽隨機碼，通常主要關注的是其超調量和邊沿上升時間。筆者對該系統中MAX4145的輸入差分信號和輸出單端信號分別進行了測量，其測量結果列于表1。

　　表1 偽隨機碼系統中MAX4145信號的測量

　　由表1中的數據可以看出，采用MAX4145可以大大降低輸入信號的超調量，而且信號邊沿上升時間也有所改善，能夠產生相關特性較為理想的偽隨機碼。在實際的擴頻通信系統中，這些改善和提高將更有利于信號的恢復和解調，從而起到提高系統性能的作用。