基于MAX4145差分放大器性能特點(diǎn)和典型應(yīng)用分析

1、引言

隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)、微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展和一些新型元器件的應(yīng)用，擴(kuò)頻技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到通信的各個(gè)方面。圖１所示是一種擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的原理框圖。

一般情況下，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都必須預(yù)先知道一個(gè)預(yù)置的擴(kuò)頻碼，這種擴(kuò)頻碼實(shí)際上是一個(gè)足夠長(zhǎng)且盡量接近于噪聲的偽隨機(jī)數(shù)字序列。系統(tǒng)通過(guò)偽隨機(jī)碼的捕獲與相關(guān)可以獲得二分之一碼元寬度的同步精度。這樣，偽隨機(jī)碼的質(zhì)量以及跟蹤和同步的精度對(duì)通信質(zhì)量有著直接的影響。因此，設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的高共模抑制比、低噪聲前置放大器對(duì)于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用很廣，其指標(biāo)完全可以滿(mǎn)足擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中偽碼產(chǎn)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(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中差分電路的理想器件，因而可廣泛應(yīng)用于差分信號(hào)至單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路、雙絞線與同軸線的轉(zhuǎn)換設(shè)備、高速差分信號(hào)接收電路、高速放大設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及醫(yī)療器械等方面。

２、ＭＡＸ４１４５的工作原理和性能特點(diǎn)

２．１ ＭＡＸ４１４５的工作原理

ＭＡＸ４１４５采用差分模式工作。它具有信號(hào)擺幅小、偶次諧波分量少、對(duì)噪聲的抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，相對(duì)于單端輸入方式，ＭＡＸ４１４５可提供更優(yōu)的諧波失真（ＴＨＤ）和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（ＳＦＤＲ），因而具有較高的共模抑制比（ＣＭＲＲ）。

ＭＡＸ４１４５內(nèi)部采用三運(yùn)放組合技術(shù)，可完成差分輸入、增益放大和信號(hào)輸出三種功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖２所示。其中，運(yùn)放Ａ１和Ａ２完成差分輸入和增益放大功能，運(yùn)放Ａ３主要進(jìn)行信號(hào)的輸出和阻抗匹配。

ＭＡＸ４１４５除了具有輸入阻抗大的特點(diǎn)之外，其前級(jí)的共模增益失調(diào)及漂移產(chǎn)生的誤差可相互抵消，并可抑制后級(jí)共模信號(hào)， 同時(shí)可將雙端信號(hào)變?yōu)閱味溯敵?，以適應(yīng)接地負(fù)載的需要。除了三個(gè)運(yùn)放之外，ＭＡＸ４１４５還包括輸出短路自保護(hù)電路和輸入保護(hù)電路，從而增加了芯片的抗毀性。通過(guò)外接電阻ＲＧ可對(duì)增益在＋１Ｖ／Ｖ～＋１０Ｖ／Ｖ范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。將ＲＧ接在管腳ＲＧ－和ＲＧ＋之間時(shí)（見(jiàn)圖２），其增益的計(jì)算方法為：

共模抑制比是衡量差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)抑制能力的一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)值越大，表明抑制能力越強(qiáng)。

２．２ ＭＡＸ４１４５的性能指標(biāo)

ＭＡＸ４１４５的主要性能參數(shù)如下：

●增益可調(diào)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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍ＳＦＤＲ＝－９２ｄＢｃ（ｆ＝１０ｋＨｚ）；

●噪聲為３．８ｎＶ／√Ｈｚ（Ｇ＝＋１０Ｖ／Ｖ）；

●建立時(shí)間ｔｓ＝２０ｎｓ（－２Ｖ≤ＶＯＵＴ≤＋２Ｖ，ｔｏ ０．１％）；

●掉電模式電流為８００μＡ。

３、ＭＡＸ４１４５應(yīng)用注意要點(diǎn)

可以通過(guò)將ＳＨＤＮ置高來(lái)使ＭＡＸ４１４５工作在掉電模式，此時(shí)輸出為高阻態(tài)。

差分模式通常要求ＩＮ－和ＩＮ＋對(duì)稱(chēng)驅(qū)動(dòng)，也就是說(shuō)，兩個(gè)輸入信號(hào)在連接到ＩＮ－、ＩＮ＋的驅(qū)動(dòng)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(yīng)用中，ＲＥＦ接地時(shí)，ＳＥＮＣＥ可同ＯＵＴ相連。而在一些信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)的應(yīng)用中，可將ＳＥＮＣＥ和ＯＵＴ同時(shí)連接到負(fù)載，這樣可以補(bǔ)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(yīng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量降低ＳＥＮＣＥ端的電容和阻抗，同時(shí)輸出端ＲＥＦ和ＳＥＮＣＥ的匹配問(wèn)題也很關(guān)鍵，因?yàn)椋遥牛坪停樱牛危茫哦说氖鋾?huì)導(dǎo)致共模增益損失。

在一般使用條件下，當(dāng)端接阻抗為非容性負(fù)載時(shí)，ＭＡＸ４１４５具有最佳的ＡＣ性能。而一般在負(fù)載電容不超過(guò)２５ｐＦ時(shí)，輸出電壓不會(huì)發(fā)生振蕩，但對(duì)頻率響應(yīng)則會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此，如果負(fù)載電容過(guò)大，輸出就會(huì)產(chǎn)生振鈴。為了驅(qū)動(dòng)容性較大的負(fù)載，降低信號(hào)振鈴，可以在放大器輸出和負(fù)載之間加上隔離電阻，隔離電阻阻值可由信號(hào)頻率和負(fù)載容性來(lái)確定，此時(shí)的帶寬將由隔離電阻和負(fù)載電容組成的ＲＣ環(huán)路來(lái)決定。因此，增大負(fù)載容性會(huì)降低整個(gè)電路的信號(hào)帶寬，而隔離電阻則會(huì)降低分配到負(fù)載的電壓。

４、在偽隨機(jī)碼產(chǎn)生電路中的應(yīng)用

４．１ 偽隨機(jī)碼產(chǎn)生電路

偽隨機(jī)碼序列一般可以利用移位寄存器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，該網(wǎng)絡(luò)由Ｒ級(jí)串聯(lián)雙態(tài)器件移位脈沖產(chǎn)生器和模二加法器組成。圖３所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的四級(jí)移位寄存器網(wǎng)絡(luò)示意圖，該網(wǎng)絡(luò)可以產(chǎn)生碼長(zhǎng)為１５的偽隨機(jī)碼。

利用ＦＰＧＡ可實(shí)現(xiàn)移位寄存器網(wǎng)絡(luò)以產(chǎn)生偽隨機(jī)碼信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)邏輯控制和時(shí)鐘分配等功能。對(duì)于ＦＰＧＡ輸出的ＴＴＬ信號(hào)，其處理方法有兩種：一種是直接送至運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)調(diào)理輸出；另外一種是將ＴＴＬ經(jīng)過(guò)Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理后再輸出。經(jīng)過(guò)分析與實(shí)際測(cè)試，筆者發(fā)現(xiàn)？由于ＦＰＧＡ輸出的信號(hào)相位抖動(dòng)較為嚴(yán)重，甚至?xí)斐尚盘?hào)邊沿不穩(wěn)，而且存在著嚴(yán)重的寄生信號(hào)，因而輸出的偽碼質(zhì)量較差；而如果經(jīng)過(guò)Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行調(diào)理輸出，這種影響會(huì)得到削弱，信號(hào)質(zhì)量會(huì)得到提高，因此第二種方法更為可取，在實(shí)際應(yīng)用中，就選擇該方法進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并選擇差分電流輸出型Ｄ／Ａ經(jīng)過(guò)ＭＡＸ４１４５放大后直接輸出。

基于ＭＡＸ４１４５的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生電路原理框圖如圖４所示。 該偽隨機(jī)碼產(chǎn)生電路在工作時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)并口將偽碼數(shù)據(jù)分配給ＦＰＧＡ，也可由ＦＰ-ＧＡ自主產(chǎn)生偽碼信號(hào)，同時(shí)由ＦＰＧＡ完成信號(hào)處理、時(shí)鐘分配、碼同步產(chǎn)生以及波形存儲(chǔ)等功能。 ＭＡＸ４１４５的作用主要是完成差分到單端輸出的轉(zhuǎn)換和放大。

４．２ ＭＡＸ４１４５應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)偽隨機(jī)碼的需求，ＭＡＸ４１４５的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)如圖５所示。圖中，輸入信號(hào)ＩＮ＋和ＩＮ－由上級(jí)Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)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(jié)果測(cè)量和分析

對(duì)于偽隨機(jī)碼，通常主要關(guān)注的是其超調(diào)量和邊沿上升時(shí)間。筆者對(duì)該系統(tǒng)中ＭＡＸ４１４５的輸入差分信號(hào)和輸出單端信號(hào)分別進(jìn)行了測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果列于表１。

由表１中的數(shù)據(jù)可以看出，采用ＭＡＸ４１４５可以大大降低輸入信號(hào)的超調(diào)量，而且信號(hào)邊沿上升時(shí)間也有所改善，能夠產(chǎn)生相關(guān)特性較為理想的偽隨機(jī)碼。在實(shí)際的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，這些改善和提高將更有利于信號(hào)的恢復(fù)和解調(diào)，從而起到提高系統(tǒng)性能的作用。

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