AD605 雙通道低噪聲單電源可變增益功率放大器

AD605是AD公司生產的低噪聲、雙通道、dB線性的可變增益放大器。可用于超聲波和時間增益控制、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的結構和工作原理,并給出了AD605的兩種基本應用電路。

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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備,其工作電壓為+5V單電源。為方便應用,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）結構等特點,因而它具有很高的dB線性度。每一個DSX-AMP都包含一個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7階R-1.5-R階梯網絡。整個衰減器網絡的衰減量為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VOCM的偏饋為Vp/2時,電路可接收±2.0V的輸入信號。

AD605的每一個獨立通道輸出的增益范圍是48dB,可完全滿足用戶的各種應用。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置接在FBK和OUT兩腳之間的獨立電阻來選擇。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,對應的增益刻度取值范圍為20dB/V～30dB/V。應當特別指出的是：當增益刻度取值范圍增大到40dB后,30dB時的增益刻度精度將降低。AD605的增益刻度與控制電壓（VGN）成線性關系,當控制電壓在0.4V～2.4V范圍內時,增益刻度以20dB/V標度;當控制電壓為0.20V～1.20V時,增益刻度以40dB/V標度。當VGN<50mV時,放大器將自動關閉電源,此時電路的拉電流為1.9mA。正常工作模式下,AD605中每一個通道的靜態(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

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

AD605的主要特點如下：

●有兩個以dB呈線性的獨立通道;

●最大功率時的輸入噪聲為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;

●共模輸出可獨立設置;

●電源在增益控制底端將自動關閉;

●低功耗：90mW/每通道;

● 可直接驅動A/D轉換。

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放大器中一個通道的功能塊圖。它的每一個通道都包含一個獨立的供電系統(tǒng)X-AMP（即DSX,也就是差分獨立供電系統(tǒng)X-AMP）。該系統(tǒng)由一個精確的被動式衰減器(差分階梯形網絡)、一個增益控制模塊、一個經由分壓電阻R3和R4緩沖的VOCM和一個帶有增益調整電阻R1、R2的主動式負反饋放大器（AFA）等四部分組成。

AD605中每個通道的增益范圍均可根據接在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,對應的VREF電壓分別為2.5V和1.25V。

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

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

3.1 差分階梯形網絡（衰減器）

位于固定增益放大器前端的衰減器是由一個差分7階R-1.5R電阻網絡實現(xiàn)的,該網絡帶有一個輸入阻抗為175Ω或350Ω的純電阻單終端。該網絡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來保證信號的連續(xù)性,從而實現(xiàn)了信號在0～48.36dB范圍內的連續(xù)衰減。該階梯網絡和其內插裝置一起可以認為是一個壓近電位器。

由于DSX是一個單電源電路,所以它需要加一定的偏置電壓。該偏壓可通過節(jié)點MID和VOCM緩沖來得到。因為沒有內部偏置電壓,所以必須加一個外部偏壓。該部分電路需要認真設計,否則這個偏置網絡會帶入額外的噪聲和漂移。要實現(xiàn)內部偏壓,只需要將信號交流耦合到DSX即可。需要說明的是：當驅動不同時,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,在驅動不同時,其終端負載將發(fā)生變化。如果每一個輸入均是一個單終端設備,則負載阻抗為175Ω,而驅動不同時負載阻抗則為350Ω.如果把這個階梯形網絡看作兩個由VOCM緩沖提供偏壓的175Ω電阻背對背和中間節(jié)點MID相接,那么負載電阻的變化就很容易理解了。如果一個差動信號加在+IN和-IN之間,則流入中間節(jié)點MID的電流為零,但是如果一個單終端信號輸入到+IN或-IN腳,而其它輸入是交流地時,則將會使電流通過中間節(jié)點MID流入VOCM緩沖器。

3.2 交流耦合

由于DSX是一個獨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將輸入信號轉變?yōu)橹绷麟妷褐?該值由VOCM決定（通常為2.5V）。從每個DSX輸入（+IN和-IN）看,C1、C2和175Ω電阻組成了一個高通濾波器,其截止頻率依賴于C1和C2的容量值。

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

這三個耦合電容都應根據具體的應用來選擇,電容的選擇應使信號無衰減的通過,同時要限制系統(tǒng)內的低頻噪聲。

3.3 主動式反饋放大器

要實現(xiàn)單電源操作和DSX的全微分輸入,必須采用一個主動式反饋放大器（AFA）。AFA是一個具有兩個gm級的基本運算放大器;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,差分輸入是一個開環(huán)支路,這就要求該支路在所使用的輸入信號范圍內必須具有很高的線性度。在這個設計中,衰減器上檢測電壓的gm級是分布式的,gm級的級數(shù)和網絡上階梯的數(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的一個輸入（G1）是全微分的,所以,AFA可以采用差分輸入結構。其兩個輸入端中的一個由一個分布的gm級構成;另一個則（G2）用于反饋。G1的輸出可作為高增益放大器（A0）的衰減網絡上的傳感電壓。因為是負反饋,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)的差分輸入電壓必須等于G1倍gm1（G1的互導）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可通過改變階梯網絡的輸入極性改變輸出信號的極性,同時,它的-IN腳可以作為第二個輸入使用并完成對DSX的共模電壓的獨立控制。

通常條件下,最好在VOCM腳接一個去耦電容,此時,DSX的共模電壓為電源電壓的一半;同時可允許最大信號幅度輸入。否則,共模電壓將直接由VOCM端的電壓來控制調高或者調低。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的輸出端再加一個耦合電容。這樣可以有效地消除DSX產生的直流電平漂移（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,增益每提高14dB,放大器的帶寬將減小5～8MHz。

4 AD605的典型應用

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10位40MSPS的A/D轉換器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1.25V～2.5V的電壓,對應的增益刻度分別為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0.125V～1.325V,在取20dB/V時為0.25V～2.65V。如果VGN腳接地,它對應的通道電源將被關閉,而輸出也同時被切斷。

4.2 擴展增益的應用電路

如圖4所示,AD605的兩個通道并聯(lián)可以將總增益范圍擴展到96.8dB。當R1、R2短路時,增益范圍為-28dB～+68.8dB,此時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完全相同的低通電路并聯(lián)造成的,當兩個相同的低通濾波器并聯(lián)時,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,但是每一個通道的帶寬都將減小5～8MHz。另外,由于兩個通道并聯(lián)又將使帶寬減小1.414倍,所以在最終獲得較高增益時,總的帶寬減小大約6MHz。

另外還有兩個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,因為提高第一個放大器的增益時,第二個放大器的噪聲對總的輸出影響較小。一個值得考慮的問題是當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之間獲得任何一個增益范圍。當R1、R2選取除開路和短路以外的任何值時,最終的增益范圍將取決于外部阻抗和片內阻抗的匹配程度。由于片內阻抗可以在±20%內變化,所以要得到一個特定的增益值,外部電阻的取值將完全根據經驗來定。由于同一塊集成塊中的兩個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產生1mV的偏移,那么當?shù)诙塂SX設置為最低功率增益范圍（+34.8dB）的最大增益時,將會導致53mV的偏移,而當?shù)诙塂SX設置為最高功率增益范圍（+48.8dB）的最大增益時,將會導致263mV的偏移,所以在級聯(lián)的放大器的輸出端加一個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。