信号发生器产生定义的电信号,其特性随时间推移而变化。如果这些信号表现为简单的周期波形,如正弦波、方波或三角波,那么这些信号发生器称为函数发生器。它们通常用于检查电路或组件的功能。将信号发生器定义的信号施加于被测电路的输入端,并在输出端连接至相应的测量设备(例如,示波器)。这样用户就可以对电路进行评估。过去,挑战通常包括如何设计信号发生器的输出级。本文介绍如何设计通过电压增益放大器(VGA)和电流反馈放大器(CFA)搭建的小型经济的输出级。

 

典型的信号发生器提供 25 mV 至 5 V 输出电压。为了驱动 50 Ω或更高的负载,一般会在输出端使用功能强大的分立式组件、多个并行组件,或者成本高昂的 ASIC。其内部通常有继电器,允许设备在不同的放大或衰减级之间切换,从而调节输出电平。根据需要开关继电器来实现各种增益时,在一定程度上会导致操作断续。简化框图如图 1 所示。

 

图 1. 典型的信号发生器输出级的简化框图。

 

使用新款放大器 IC 作为输出级功放,可无需使用内部继电器而直接驱动负载。因此简化了信号发生器的输出级设计,且降低了复杂度和成本。这种输出的两个主要组件会构成一个强大的输出级,提供高速、高压、高电流,以及具有持续线性微调功能的可变放大器。

 

图 2. 带 VGA 的信号发生器输出级的简化框图。

 

首先,原始输入信号必须通过 VGA 放大或衰减。VGA 的输出信号可以设置为所需的幅度,这种幅度与输入信号无关。例如,如果增益为 10 时,输出幅度 VOUT 为 2 V,则 VGA 的输出幅度必须调整至 0.2 V。遗憾的是,许多 VGA 因为有限的增益范围而产生瓶颈。增益范围很少能大于 45 dB。

 

ADI 在低功耗 VGA AD8338 上实现了 0 dB 至 80 dB 可编程增益范围。因此,在理想条件下,可以将信号发生器的连续输出幅度设置在 0.5 mV 和 5 V 之间,且无需额外使用继电器或开关网络。通过去除这些机械组件,可以避免不连续的输出。因为数模转换器(DAC)和直接数字频率合成器(DDS)组件通常具有差分输出,所以 AD8338 提供全差分接口。此外,通过灵活的输入级,任何不对称的输入电流都可以通过内部反馈环路得到补偿。同时,内部节点保持在 1.5 V。在正常情况下,最大 1.5 V 输入信号在通过 500 Ω输入电阻时,产成 3 mA 电流。在输入幅度较高(例如 15 V)时,可能需要在输入引脚串联一个更高的电阻。该电阻阻值也要使得与输入电压为 1.5V 时一样,产生最大不超过 3mA 输入电流。

 

许多商用信号发生器在 50 Ω(正弦波)负载下提供最大 250 mW (24 dBm)的有效输出功率。但是,这对于具有较高输出功率的应用通常不够用,例如测试 HF 放大器或生成超声脉冲的要求。因此,还需要使用电流反馈放大器。ADA4870 可以在±20 V 电源电压条件下输出±17 V/1 A。正弦波可以在高达 23 MHz 的频率下实现满负载输出,这使其成为通用任意波形发生器的理想前端驱动器(输出级)。为了优化输出信号摆幅,将 ADA4870 的增益配置为 10,因此所需的输入幅度为 1.6 V。但是,由于 ADA4870 具有接地参考输入,而上游的 AD8338 具有差分输出,所以应在两个部件之间连接差分接收器放大器,以实施差分至到单端的转换。AD8130 提供 270 MHz 的增益带宽积(GBWP),压摆率为 1090 V/μs,非常适合此应用。AD8338 的输出限制在±1 V,所以 AD8130 的中间增益应设计为 1.6 V/V。整体电路配置如图 3 所示。在 22.4 V (39 dBm)幅度和 50 Ω负载下,可实现 20 MHz 带宽。

 

图 3. 采用分立设计的信号发生器输出级的简化电路。

 

通过更高功率的 VGA(AD8338)、大功率的 CFA (ADA4870)和差分接收器放大器(AD8130)的组合,可以相对轻松地构建紧凑型高功率信号发生器输出级。它具有更高的系统可靠性、更长的服务寿命和更低的成本,因此优于传统输出级。