集成運(yùn)放的非線性失真分析及電路應(yīng)用

?????? 0 引言

　　運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用在各種電路中，不僅可以實(shí)現(xiàn)加法和乘法等線性運(yùn)算電路功能，而且還能構(gòu)成限幅電路和函數(shù)發(fā)生電路等非線性電路，不同的連接方式就能實(shí)現(xiàn)不同的電路功能。集成運(yùn)放將運(yùn)算放大器和一些外圍電路集成在一塊硅片上，組合成了具有特定功能的電子電路。集成運(yùn)放體積小，使用方便靈活，適合應(yīng)用在移動(dòng)通信和數(shù)碼產(chǎn)品等便攜設(shè)備中。

　　線性特性是考查具有放大功能的集成運(yùn)放和接收射頻前端電路的一個(gè)重要參數(shù)，并且線性范圍對(duì)集成運(yùn)放的連接方式也有很大影響。集成運(yùn)放的線性范圍太小，就會(huì)造成輸出信號(hào)產(chǎn)生多次諧波和較大的諧波功率，嚴(yán)重地影響整個(gè)電路的功能?；诩蛇\(yùn)放的非線性分析，可以發(fā)現(xiàn)造成電路非線性失真的原因，并且在不改變電路設(shè)計(jì)的前提下，通過改變集成運(yùn)放的連接方式，達(dá)到實(shí)現(xiàn)集成運(yùn)放正常工作的目的。本文設(shè)計(jì)優(yōu)化的集成運(yùn)放電路應(yīng)用于定位系統(tǒng)射頻前端電路，完成對(duì)基帶掃頻信號(hào)的放大輸出，能有效抑制了集成運(yùn)放諧波的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)射頻接收前端電路的高增益，提高對(duì)后端電路設(shè)計(jì)部分的驅(qū)動(dòng)能力。

　　l 差分電路的接入方法和集成運(yùn)放的非線性參數(shù)

　　通用集成運(yùn)放電路由：偏置電路、輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)等組成。其輸入級(jí)部分由差分電路構(gòu)成。差分電路有雙端輸入和單端輸入兩種信號(hào)輸入方法；偏置電路可以采用單電源和雙電源兩種供電方式。在移動(dòng)通信或便攜設(shè)備中，一般采用單電源供電方式，單電源供電的集成運(yùn)放要求輸入信號(hào)采用單極性形式，即輸入信號(hào)始終是正值或是負(fù)值，差分輸入級(jí)可以用來保證輸入中間級(jí)電路的信號(hào)極性，同時(shí)差分輸入級(jí)放大電路可以有效抑制共模信號(hào)，增強(qiáng)集成運(yùn)放的共模抑制比。但是，當(dāng)共模輸入信號(hào)較大時(shí)，差分對(duì)管就會(huì)進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，放大器將失去共模抑制能力，嚴(yán)重影響到集成運(yùn)放的共模抑制比。

　　集成運(yùn)放的非線性特性參數(shù)除了最大共模輸入電壓外，輸出電壓、輸出電流、最大輸出壓擺率和最大輸入壓擺率等也是關(guān)系到其非線性特性的重要指標(biāo)。由于集成運(yùn)放的輸出級(jí)晶體管存在一定的飽和壓降，其最大輸出電壓都要比電源電壓小1～2 V，甚至更小。壓擺率就是電壓的轉(zhuǎn)換速率，是集成運(yùn)放在大信號(hào)和高頻信號(hào)工作時(shí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。壓擺率越高，集成運(yùn)放的電壓反應(yīng)速度越快，越能保證運(yùn)放在更高頻率下工作；相反，如果壓擺率太低，運(yùn)放的輸出電壓無法即時(shí)地跟隨階躍輸入電壓的變化，輸出信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)失真，表現(xiàn)出集成運(yùn)放的非線性特性。無論單電源供電，還是正負(fù)電源供電，集成運(yùn)放的最大共模電壓一般比電源正、負(fù)電壓各低2 v左右；對(duì)于3．3 V單電源供電的集成運(yùn)放，其最大共模輸入電壓范圍非常小，所以集成運(yùn)放在使用低電源供電的情況下，一定要考慮輸入共模信號(hào)的影響。

　　2 雙端輸入集成運(yùn)放AD8062的電路應(yīng)用

　　在接收機(jī)射頻前端電路中，現(xiàn)代混頻器內(nèi)部集成了運(yùn)算放大器的功能，但是內(nèi)部集成的運(yùn)算放大器輸出阻抗較高，使得混頻器后端負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，同時(shí)電壓增益也容易受到負(fù)載阻抗變化的影響。為了實(shí)現(xiàn)接收機(jī)能夠接收大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，射頻前端采用了增益控制放大電路；同時(shí)，考慮到接收機(jī)高靈敏度的要求，使用固定增益集成運(yùn)放對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行再放大，以保證接收到的信號(hào)達(dá)到A/D采樣的最低門限。集成運(yùn)放AD8062具有很高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，能夠保證下變頻后信號(hào)的高效傳輸，并且能夠有效提高負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。為了滿足整個(gè)電路系統(tǒng)的增益設(shè)計(jì)要求，接收前端對(duì)下變頻后的基帶信號(hào)進(jìn)行放大便顯得尤為必要。

　　2．1 AD8062主要性能介紹

　　輸出電壓擺動(dòng)為6 mV；3 dB帶寬為500 MHz；電壓擺率為800 V／μs；差分放大相位誤差為O．04°；電源電壓為2．7～8 V。AD8062是雙集成運(yùn)算放大器，可以同時(shí)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行放大輸出。共模輸入電壓范圍也較大，能夠在低電源電壓供電電路中使用；輸出端采用軌對(duì)軌(Rail to Rail)反饋放大器方式，擴(kuò)展了輸出電壓范圍，更加方便了AD8062的使用。相比于同類型電流反饋放大器，AD8062具有較寬的信號(hào)輸入帶寬和較高的壓擺率特性，適合應(yīng)用在擴(kuò)頻通信電路中。

　　2．2 AD8062電路實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

　　在下面的電路設(shè)計(jì)中，AD8062采用單電源3．3 V供電方式，輸入端使用的是I／Q兩路正交信號(hào)，用于測(cè)試的輸入信號(hào)是單頻信號(hào)，輸入信號(hào)功率范圍為-28～-12 dBm，信道帶寬5 MHz。集成運(yùn)放的電路設(shè)計(jì)應(yīng)用在ISM頻段定位系統(tǒng)的接收射頻前端電路，在AD8347對(duì)I／Q正交射頻信號(hào)下變頻后，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行放大輸出。AD8062差分放大采用的是雙端輸入單端輸出的方式，I／Q兩路雙極性信號(hào)經(jīng)集成運(yùn)放合并后傳輸給A／D變換器進(jìn)行采樣。當(dāng)接收信號(hào)為跳頻信號(hào)時(shí)，AD8062電壓的變化速率很快，能夠即時(shí)跟隨階躍電壓的變化。最初的設(shè)計(jì)采用圖1(a)所示的電路連接方式，其中設(shè)計(jì)的MIMO系統(tǒng)接收射頻前端曾有應(yīng)用，在MIMO系統(tǒng)中采用的是單電源5 V供電方式，輸入信號(hào)頻率范圍為0～5 MHz，功率為-12 dBm。上述條件下，放大器的功率增益為11 dB，信號(hào)輸出的諧波失真小于-40 dBc，滿足接收機(jī)靈敏度和后端A／D采樣的要求。然而，AD8062的連接方式直接用于3．3 V單電源，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為1 MHz時(shí)，電路的輸出特性如圖2和圖3所示。

　　AD8062的差分放大電路連接方式1，集成運(yùn)放I／Q兩路雙極性輸入的電壓信號(hào)大小相等，符號(hào)相反，理論上經(jīng)下變頻器輸出的雙極性信號(hào)到AD8062的增益(dB)由下式計(jì)算得到：

　　在下變頻器輸出信號(hào)為-28 dBm的情況下，由圖2可以看出AD8062的增益為11 dB左右，信噪比為20 dB左右，該增益基本滿足理論計(jì)算值。但是，當(dāng)下變頻器輸出信號(hào)為-12 dBm時(shí)，輸入到AD8062信號(hào)的各次諧波功率均大于-50 dBc。由圖3可發(fā)現(xiàn)，在AD8062的大信號(hào)輸入時(shí)AD8062的非線性特性使得輸出信號(hào)嚴(yán)重失真，5 MHz信號(hào)帶寬內(nèi)二次諧波為-10 dBc，信號(hào)輸出功率不能滿足理論計(jì)算值。AD8062的嚴(yán)重帶內(nèi)諧波失真，使得后端無法檢測(cè)到有用的信號(hào)，造成了這種電路無法正常使用。

　　2．3 AD8062的非線性分析和電路優(yōu)化

　　在集成運(yùn)放的非線性參數(shù)中，單頻輸入信號(hào)電壓的變化速率很低，基本不用考慮AD8062的壓擺率特性是造成諧波失真的原因。考慮到單電源集成運(yùn)放在電源電壓變小時(shí)，其最大共模輸入電壓范圍也會(huì)變小，電路連接方式1產(chǎn)生的諧波失真與最大輸入共模電壓有很大的關(guān)系。A-D8062允許輸入信號(hào)的最大共模電壓范圍為(-Vs—O．2 V)～(+Vs—1．8 V)，電源電壓越小，AD8062的最大共模輸入電壓范圍越小，若超出這個(gè)最大范圍，芯片就可能被燒毀。另外，關(guān)系到集成運(yùn)放非線性參數(shù)的共模輸入電壓范圍還要小于上述范圍。在單電源5 V電壓供電的電路中，允許輸入信號(hào)的最大共模電壓范圍為-5．2～+3．2 V，然而在單電源3．3 V供電的電路中，該范圍為-3．5～+1．5 V。電源電壓的減少，使得AD8062的最大輸入共模電壓范圍有所減少，這可能是造成集成運(yùn)放非線性失真的原因。連接方式l的信號(hào)輸入端沒有隔直電容，必然造成集成運(yùn)放對(duì)直流信號(hào)的放大，這就會(huì)出現(xiàn)輸出信號(hào)的諧波失真。這是因?yàn)楫?dāng)直流電壓超出最大輸入共模電壓范圍時(shí)，集成運(yùn)放的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生了較大偏移，差分對(duì)管中的一管輸出電流趨于飽和，另外一管的輸出電流趨于截止，兩管的輸出電流之差不再跟隨輸入信號(hào)發(fā)生變化，而表現(xiàn)出集成運(yùn)放的限幅電路特性，造成集成運(yùn)放在大信號(hào)輸入時(shí)輸出信號(hào)的非線性失真。由此可以判斷，在大信號(hào)輸入的情況下，AD-8062的峰值超過了輸入共模電壓范圍。為了解決共模電壓過大的問題，對(duì)上述電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即在連接方式2的集成運(yùn)放的負(fù)項(xiàng)輸入端加入隔直電容，其連接如圖1(b)所示。

　　AD8062的差分放大電路連接方式2中，隔直電容可以有效減小輸入到反相端的直流電壓，同時(shí)通過交流有用信號(hào)，這樣就減小了集成運(yùn)放的輸入共模電壓，保持了差分電路在靜態(tài)工作點(diǎn)的較大線性范圍，差分對(duì)管的輸出電流能夠線性跟隨輸入信號(hào)變化。隔直電容的加入除了對(duì)低頻信號(hào)有些影響外，輸入集成運(yùn)放的差模電壓能夠高效傳輸給A／D變換器。在設(shè)計(jì)的ISM頻段定位系統(tǒng)時(shí)，使用基帶掃頻信號(hào)最低頻率為100 kHz，這樣就能最大程度地降低隔直電容對(duì)低頻信號(hào)的影響。優(yōu)化電路的特性頻譜特性如圖4和圖5所示。

　　連接方式2與方式1的頻率輸入條件相同，在輸入單頻信號(hào)功率為-28 dBm時(shí)，優(yōu)化電路的集成運(yùn)放增益大于11 dB，并且對(duì)帶外噪聲有了更大的抑制作用，信噪比也比連接方式1提高了1 dB。在輸入單頻信號(hào)功率為-12 dBm時(shí)，由于共模輸入電壓的減小，使得AD8062能夠工作在線性范圍，各次諧波功率均小于-45 dBc，輸出信號(hào)功率也有了4 dB提高。優(yōu)化電路成功地完成了在射頻接收前端的試驗(yàn)測(cè)試，能夠?yàn)楹蠖穗娐窓z測(cè)信號(hào)提供較大的信號(hào)功率。而滿足A／D采樣門限要求。

　　同時(shí)，在ISM頻段定位系統(tǒng)整體測(cè)試中，AD8062的使用能夠使得接收射頻前端達(dá)到接收機(jī)靈敏度的要求，信號(hào)處理部分能夠正確捕獲定位數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，雙集成運(yùn)放AD8062的I／Q兩路輸入信號(hào)功率不能有太大的偏差，否則，電路不能正常工作。在設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)射頻前端電路中，采用正交下變頻器AD8347的I／Q兩路信號(hào)輸出功率偏差較小，AD8062能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

　　3 結(jié)語

　　通過對(duì)集成運(yùn)放連接電路的非線性分析，找到了AD8062產(chǎn)生諧波失真的原因，并且優(yōu)化設(shè)計(jì)了新的電路連接方式。這種優(yōu)化電路設(shè)計(jì)在不改變集成運(yùn)放增益的前提下，使接收射頻前端的靈敏度提高了1 dB，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，并且能夠保證接收機(jī)在大信號(hào)輸入時(shí)的諧波失真小于-50 dBc。在ISM頻段定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，優(yōu)化設(shè)計(jì)電路輸出信號(hào)信噪比和功率大小均能滿足A／D的采樣要求，能夠?yàn)楹蠖硕ㄎ粰z測(cè)算法提供相關(guān)數(shù)據(jù)。在不同條件和不同電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。集成運(yùn)放的應(yīng)用同樣會(huì)出現(xiàn)非線性失真問題，上述集成運(yùn)放的非線性分析方法具有一定的參考價(jià)值。