AD605 雙通道低噪聲單電源可變增益功率放大器

AD605 雙通道低噪聲單電源可變增益功率放大器

AD605是AD公司生產(chǎn)的低噪聲、雙通道、dB線性的可變增益放大器?？捎糜诔暡ê蜁r(shí)間增益控制、高性能AGC系統(tǒng)以及信號測量等方面。文中介紹了AD605的功能和特性,分析了AD605的結(jié)構(gòu)和工作原理,并給出了AD605的兩種基本應(yīng)用電路。

??? 關(guān)鍵詞：可變增益 功率放大器 低噪聲 AD605

1 概述

AD605是一種低噪聲、雙通道、以dB呈線性的可變增益放大器,它適用于高性能、寬波段可變增益放大器控制的任何電氣設(shè)備,其工作電壓為+5V單電源。為方便應(yīng)用,AD605提供了差分輸入和單極功率控制。該放大器的靈敏性取決于用戶所確定的增益范圍和增益標(biāo)度的參考輸入（dB/V）。

因AD605具有并分輸入、單電源供電、指數(shù)放大器（DSX-AMP）結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),因而它具有很高的dB線性度。每一個(gè)DSX-AMP都包含一個(gè)后接高速固定增益放大器的0dB～48.4dB的可變衰減器。這些衰減器均基于一個(gè)7階R-1.5-R階梯網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)衰減器網(wǎng)絡(luò)的衰減量為6.908dB～48.360dB。由于電路采有了DSX-AMP工藝,從而使輸入噪聲的光譜密度為1.8nV/(Hz)1/2,當(dāng)VOCM的偏饋為Vp/2時(shí),電路可接收±2.0V的輸入信號。

AD605的每一個(gè)獨(dú)立通道輸出的增益范圍是48dB,可完全滿足用戶的各種應(yīng)用。AD605的輸出有兩種增益范圍：-14dB～+34dB和0dB～48dB,這兩種范圍可以通過設(shè)置接在FBK和OUT兩腳之間的獨(dú)立電阻來選擇。短接FBK和OUT可得到功率范圍的下限,FBK懸空可得到功率范圍的上限。單片集成塊AD605的兩個(gè)通道可以通過級聯(lián)以輸出96dB的精確功率。

AD605的增益控制接口的輸入阻抗大約為2MΩ,VREF輸入電壓為2.5V～1.67V,對應(yīng)的增益刻度取值范圍為20dB/V～30dB/V。應(yīng)當(dāng)特別指出的是：當(dāng)增益刻度取值范圍增大到40dB后,30dB時(shí)的增益刻度精度將降低。AD605的增益刻度與控制電壓（VGN）成線性關(guān)系,當(dāng)控制電壓在0.4V～2.4V范圍內(nèi)時(shí),增益刻度以20dB/V標(biāo)度;當(dāng)控制電壓為0.20V～1.20V時(shí),增益刻度以40dB/V標(biāo)度。當(dāng)VGN<50mV時(shí),放大器將自動關(guān)閉電源,此時(shí)電路的拉電流為1.9mA。正常工作模式下,AD605中每一個(gè)通道的靜態(tài)電流僅有18mA。

AD605采用16腳塑料DIP和SOIC封裝,其安全工作溫度范圍為-40℃～+85℃。

2 AD605的引腳功能及特點(diǎn)

2.1 AD605的引腳功能

圖1所示是AD605的引腳排列圖,各引腳的功能說明如表1所列。

表1 AD605的管腳定義

2.2 AD605的特點(diǎn)

AD605的主要特點(diǎn)如下：

●有兩個(gè)以dB呈線性的獨(dú)立通道;

●最大功率時(shí)的輸入噪聲為1.8nV/(Hz)1/2和2.7nV/(Hz)1/2;

●帶寬為40MHz(-3dB);

●采用差分輸入方式：

●增益不隨溫度和電源變化;

●采用單終端單極增益控制;

●共模輸出可獨(dú)立設(shè)置;

●電源在增益控制底端將自動關(guān)閉;

●低功耗：90mW/每通道;

● 可直接驅(qū)動A/D轉(zhuǎn)換。

3 工作原理

AD605是一種雙通道低噪聲可變增益放大器。圖2給出了AD605放大器中一個(gè)通道的功能塊圖。它的每一個(gè)通道都包含一個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng)X-AMP（即DSX,也就是差分獨(dú)立供電系統(tǒng)X-AMP）。該系統(tǒng)由一個(gè)精確的被動式衰減器(差分階梯形網(wǎng)絡(luò))、一個(gè)增益控制模塊、一個(gè)經(jīng)由分壓電阻R3和R4緩沖的VOCM和一個(gè)帶有增益調(diào)整電阻R1、R2的主動式負(fù)反饋放大器（AFA）等四部分組成。

AD605中每個(gè)通道的增益范圍均可根據(jù)接在FBK和OUT之間的電阻阻值的不同來選擇-14dB～+34dB或0dB～48dB。其中心的40dB增益以dB呈精確線性,而在增益范圍的上限和下限處,增益誤差將增大。AD605的增益由增益控制電壓（VGN）設(shè)置,其VREF輸入決定了增益刻度的取值范圍。有效的增益刻度范圍在20dB/V和40dB/V之間,對應(yīng)的VREF電壓分別為2.5V和1.25V。

由于AD605的兩個(gè)通道完全相同,下面以通道1來說明其工作原理。在整個(gè)集成塊中只有VREF和VOCM兩個(gè)輸入端是共享的。由于兩個(gè)通道共用一個(gè)交流地,因此它們之間的串?dāng)_可減到最小。如果希望具有精度很高的增益標(biāo)度,VREF應(yīng)外接一個(gè)輸入阻抗較低的電源。對于20dB/V的低靈敏度應(yīng)用,可以在VREF輸入端和地之間接一個(gè)去耦電容。在這種模式下,AD605的增益刻度由+VCC和GND的中點(diǎn)值來決定,所以,當(dāng)增益控制電壓為+5V時(shí),控制要特點(diǎn)仔細(xì)。VREF端的輸入阻抗為10kΩ±20%。

AD605為單電源供電電路,VOCM腳的功能是設(shè)置本通道電路的中點(diǎn)直流電平。VOCM的輸入電路僅需要一個(gè)接地電容來確定電源電壓的中點(diǎn)（即+5V和GND之間電壓的中點(diǎn)）;然而,如果輸出直流電平對用戶非常重要的話,VOCM也可以特定設(shè)置。VOCM端的輸入阻抗為45Ω±20%。

3.1 差分階梯形網(wǎng)絡(luò)（衰減器）

位于固定增益放大器前端的衰減器是由一個(gè)差分7階R-1.5R電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的,該網(wǎng)絡(luò)帶有一個(gè)輸入阻抗為175Ω或350Ω的純電阻單終端。該網(wǎng)絡(luò)對輸入信號的衰減為每階6.908dB,因此第一階的衰減為6.908dB,第二階的衰減為13.816dB,依此類推,直到最后一階總的衰減量為48.356dB。在兩階電路的接口處采用了特殊的電路技術(shù)來保證信號的連續(xù)性,從而實(shí)現(xiàn)了信號在0～48.36dB范圍內(nèi)的連續(xù)衰減。該階梯網(wǎng)絡(luò)和其內(nèi)插裝置一起可以認(rèn)為是一個(gè)壓近電位器。

由于DSX是一個(gè)單電源電路,所以它需要加一定的偏置電壓。該偏壓可通過節(jié)點(diǎn)MID和VOCM緩沖來得到。因?yàn)闆]有內(nèi)部偏置電壓,所以必須加一個(gè)外部偏壓。該部分電路需要認(rèn)真設(shè)計(jì),否則這個(gè)偏置網(wǎng)絡(luò)會帶入額外的噪聲和漂移。要實(shí)現(xiàn)內(nèi)部偏壓,只需要將信號交流耦合到DSX即可。需要說明的是：當(dāng)驅(qū)動不同時(shí),DSX的輸入也是完全不同的。由于+IN和-IN兩腳的信號相同但極性相反。因此,在驅(qū)動不同時(shí),其終端負(fù)載將發(fā)生變化。如果每一個(gè)輸入均是一個(gè)單終端設(shè)備,則負(fù)載阻抗為175Ω,而驅(qū)動不同時(shí)負(fù)載阻抗則為350Ω.如果把這個(gè)階梯形網(wǎng)絡(luò)看作兩個(gè)由VOCM緩沖提供偏壓的175Ω電阻背對背和中間節(jié)點(diǎn)MID相接,那么負(fù)載電阻的變化就很容易理解了。如果一個(gè)差動信號加在+IN和-IN之間,則流入中間節(jié)點(diǎn)MID的電流為零,但是如果一個(gè)單終端信號輸入到+IN或-IN腳,而其它輸入是交流地時(shí),則將會使電流通過中間節(jié)點(diǎn)MID流入VOCM緩沖器。

3.2 交流耦合

由于DSX是一個(gè)獨(dú)立的單電源供電電路,所以它需要通過交流耦合來輸入共基極接地信號。如圖2所示,C1和C2將輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷褐?該值由VOCM決定（通常為2.5V）。從每個(gè)DSX輸入（+IN和-IN）看,C1、C2和175Ω電阻組成了一個(gè)高通濾波器,其截止頻率依賴于C1和C2的容量值。

如果DSX輸出需要一個(gè)參考地,則可則加另外一個(gè)交流耦合電容以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。該電容也可以消除DSX產(chǎn)生的任何直流漂移。此時(shí)如果接一個(gè)500Ω的一般負(fù)載和一個(gè)0.1μF的耦合電容,則將使-3dB高通截止頻率提高大約3.2kHz。

這三個(gè)耦合電容都應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用來選擇,電容的選擇應(yīng)使信號無衰減的通過,同時(shí)要限制系統(tǒng)內(nèi)的低頻噪聲。

3.3 主動式反饋放大器

要實(shí)現(xiàn)單電源操作和DSX的全微分輸入,必須采用一個(gè)主動式反饋放大器（AFA）。AFA是一個(gè)具有兩個(gè)gm級的基本運(yùn)算放大器;其中一級用于反饋支路,另一級作為差分輸入。值得指出的是,差分輸入是一個(gè)開環(huán)支路,這就要求該支路在所使用的輸入信號范圍內(nèi)必須具有很高的線性度。在這個(gè)設(shè)計(jì)中,衰減器上檢測電壓的gm級是分布式的,gm級的級數(shù)和網(wǎng)絡(luò)上階梯的數(shù)量相同。只有少數(shù)gm級是依靠增益控制電壓而始終處于開啟狀態(tài)。

由于AFA的一個(gè)輸入（G1）是全微分的,所以,AFA可以采用差分輸入結(jié)構(gòu)。其兩個(gè)輸入端中的一個(gè)由一個(gè)分布的gm級構(gòu)成;另一個(gè)則（G2）用于反饋。G1的輸出可作為高增益放大器（A0）的衰減網(wǎng)絡(luò)上的傳感電壓。因?yàn)槭秦?fù)反饋,所以高增益放大器的差分輸入必須為零,也就是說,G2倍gm2(G2的互導(dǎo))的差分輸入電壓必須等于G1倍gm1（G1的互導(dǎo)）的分輸入電壓。因此,AFA的全功率函數(shù)為：

VOUT/VATTEN=(gm1/gm2)(R1R2/R2)

式中,VOUT是輸出電壓,VATTEN是衰減器上的有效電壓,如果（R1+R2）/R2=42,gm1/gm2=1.25,那么全功率為52.5（34.3dB）。

利用AFA可通過改變階梯網(wǎng)絡(luò)的輸入極性改變輸出信號的極性,同時(shí),它的-IN腳可以作為第二個(gè)輸入使用并完成對DSX的共模電壓的獨(dú)立控制。

通常條件下,最好在VOCM腳接一個(gè)去耦電容,此時(shí),DSX的共模電壓為電源電壓的一半;同時(shí)可允許最大信號幅度輸入。否則,共模電壓將直接由VOCM端的電壓來控制調(diào)高或者調(diào)低。另外,VOCM也可以作為信號輸入端,其唯一的局限是VOCM緩沖的回轉(zhuǎn)頻率太低。

如果輸出信號的直流電平不夠,通常需要在DSX的輸出端再加一個(gè)耦合電容。這樣可以有效地消除DSX產(chǎn)生的直流電平漂移（參見交流耦合部分）。

增益范圍可以通過接在FBK和OUT之間的電阻來設(shè)定。若FBK和OUT直接相連,則增益變化范圍為-14dB～+34.4dB;若FBK與OUT斷開,那么增益變化范圍為0dB～+48.4dB。需要說明的是：在較高的增益范圍內(nèi),增益每提高14dB,放大器的帶寬將減小5～8MHz。

4 AD605的典型應(yīng)用

4.1 AD605的單通道連接

圖3所示是AD605在增益范圍為-14dB～+34.4dB時(shí)基本接線圖。信號由AD605的3腳輸入。-IN1和IN1兩腳的效流耦合電容需要根據(jù)最低截止頻率來合理選擇,本電路選取的容量為0.1μF。如果DSX的輸入阻抗為175Ω,那么此時(shí)該放大器的-3dB帶寬上限為9.1kHz。最高截止頻率為40MHz。

正如上面所說,AD605的輸出是最佳效能的交流匹配。如果再接一個(gè)10位40MSPS的A/D轉(zhuǎn)換器AD9050,那么就可省略交流耦合頭在VOCM腳施加的與AD9050相同的3.3V共模偏壓。

VREF腳需要一個(gè)1.25V～2.5V的電壓,對應(yīng)的增益刻度分別為40dB/V和20dB/V。VGN腳的電壓控制著增益的變化;它的工作電壓范圍通常在增益刻度取40dB/V時(shí)0.125V～1.325V,在取20dB/V時(shí)為0.25V～2.65V。如果VGN腳接地,它對應(yīng)的通道電源將被關(guān)閉,而輸出也同時(shí)被切斷。

4.2 擴(kuò)展增益的應(yīng)用電路

如圖4所示,AD605的兩個(gè)通道并聯(lián)可以將總增益范圍擴(kuò)展到96.8dB。當(dāng)R1、R2短路時(shí),增益范圍為-28dB～+68.8dB,此時(shí)的通頻帶寬稍微有些減小,其值為30MHz。通頻帶的減小是由于兩個(gè)完全相同的低通電路并聯(lián)造成的,當(dāng)兩個(gè)相同的低通濾波器并聯(lián)時(shí),電路的通頻帶將減小1.414倍。如果R1和R2用開路代替,也就是FBK1和FBK2兩個(gè)腳不連通,那么增益范圍將增加28dB。如前所述,雖然增益增加了14dB,但是每一個(gè)通道的帶寬都將減小5～8MHz。另外,由于兩個(gè)通道并聯(lián)又將使帶寬減小1.414倍,所以在最終獲得較高增益時(shí),總的帶寬減小大約6MHz。

另外還有兩個(gè)簡單的組合可以得到-14dB～82.8dB的增益范圍,一是將R1短路,R2開路;二是將R1開路,R2短路。兩種方法較好一些,因?yàn)樘岣叩谝粋€(gè)放大器的增益時(shí),第二個(gè)放大器的噪聲對總的輸出影響較小。一個(gè)值得考慮的問題是當(dāng)增益提高噪聲也會隨之增大,因此,信噪比不會提高。利用圖4所示電路可在-28dB～+68.8dB和0dB～+96.8dB之間獲得任何一個(gè)增益范圍。當(dāng)R1、R2選取除開路和短路以外的任何值時(shí),最終的增益范圍將取決于外部阻抗和片內(nèi)阻抗的匹配程度。由于片內(nèi)阻抗可以在±20%內(nèi)變化,所以要得到一個(gè)特定的增益值,外部電阻的取值將完全根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來定。由于同一塊集成塊中的兩個(gè)通道的匹配性非常好,所以圖4中的R1和R2的取值相同。

如果OUT1的共模電壓與+IN2和-IN2中的共模電壓相同,電容C3是不需要的。但是,如果第一級DSX產(chǎn)生1mV的偏移,那么當(dāng)?shù)诙塂SX設(shè)置為最低功率增益范圍（+34.8dB）的最大增益時(shí),將會導(dǎo)致53mV的偏移,而當(dāng)?shù)诙塂SX設(shè)置為最高功率增益范圍（+48.8dB）的最大增益時(shí),將會導(dǎo)致263mV的偏移,所以在級聯(lián)的放大器的輸出端加一個(gè)交流耦合電容來得到最大的動態(tài)范圍是很有必要的。如果輸出信號除了需要OUT2腳的1/2電壓作參考外還需要其它共模電壓作參考電平的話,則必須加上電容。