ADI技术文章：大功率信号发生器输出级设计
作者：thomas brand，adi现场应用工程师
信号发生器用来产生确定性电信号，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性波形，如正弦波、方波或三角波，那么这种信号发生器就称为函数发生器。它们通常用于检查电路或pcba的功能。将确定性信号加到被测电路的输入端，将输出端连接至相应的测量设备（例如示波器），用户就可以对其进行评估。过去，挑战通常包括如何设计信号发生器的输出级。本文将介绍如何利用电压增益放大器（vga）和电流反馈放大器（cfa）设计小型经济的输出级。
典型的信号发生器可提供25mv至5v输出电压。为了驱动50ω或更高的负载，一般会在输出端使用大功率分立器件、多个并行器件，或者成本高昂的asic。其内部通常具有继电器，可以使设备在不同的放大或衰减等级之间进行切换，从而调节输出电平。根据需要，在对继电器开关而实现各种增益时，在一定程度上会导致工作不连续。简化方框图如图1所示。
图1：典型信号发生器输出级的简化方框图。
使用新款放大器ic作为输出级功放，可以在没有任何内部继电器的情况下直接驱动负载，因此可简化信号发生器的输出级设计，并降低复杂度和成本。这种输出的两个主要器件构成一个大功率输出级，可提供高速、高电压和大电流，以及具有连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，初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，而与输入信号无关。例如，对于增益为10、输出幅度vout为2v的情况，vga的输出幅度必须调整至0.2v。遗憾的是，许多vga都会因为增益范围有限而产生瓶颈——增益范围大于45db的情况很少。
adi公司在低功耗vga ad8338上实现了0db至80db可编程增益范围。因此，在理想条件下，可以将信号发生器的输出幅度连续设置在0.5mv和5v之间，而无需使用额外的继电器或开关网络。通过去除这些机械元件，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）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，输入电流有任何的不对称，都可以通过内部反馈回路得到补偿。同时，内部节点保持在1.5v。在正常情况下，最大1.5v输入信号在500ω输入电阻时会产生3ma电流。在更高输入幅度（例如15v）的情况下，可能需要在输入引脚串联一个更大的电阻——其阻值要确保所产生的电流同样为3ma大小。
许多商用信号发生器在50ω（正弦波）负载下提供最大250mw（24dbm）的有效输出功率。但是，这对于具有较大输出功率的应用通常不够用，例如测试hf放大器或生成超声波脉冲之所需。因此，还需要使用电流反馈放大器。ada4870在±20v电源电压下，可以在输出端以17v的幅度提供1a的驱动电流。它可以在满载情况下生成高达23mhz的正弦波，因此成为了通用任意波形发生器的理想前端驱动器。为了优化输出信号摆幅，ada4870的增益配置成10，因此所需的输入幅度为1.6v。但是，由于ada4870具有地参考输入，而上游的ad8338具有差分输出，因此在两个器件之间应连接差分接收器放大器，而实现差分到地参考的转换。ad8130提供270mhz的增益带宽积（gbwp），压摆率为1090v/µs，非常适合这种应用。ad8338的输出限制在±1v，因此ad8130的中间增益应设计为1.6v/v。整体电路配置如图3所示，其可在22.4v（39dbm）幅度和50ω负载下实现20mhz带宽。
图3：采用分立设计的信号发生器输出级的简化电路。
通过大功率的vga（ad8338）、大功率的cfa（ada4870）和差分接收器放大器（ad8130）的组合，就可以相对轻松地设计出小尺寸大功率的信号发生器输出级。它具有更高的系统可靠性、更长的服务寿命和更低的成本，因此比传统输出级更优。
参考文献
hunter， david. “two new devices help reinvent the signal generator.” analog dialogue， october 2014.
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图1：典型信号发生器输出级的简化方框图。
使用新款放大器ic作为输出级功放，可以在没有任何内部继电器的情况下直接驱动负载，因此可简化信号发生器的输出级设计，并降低复杂度和成本。这种输出的两个主要器件构成一个大功率输出级，可提供高速、高电压和大电流，以及具有连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，初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，而与输入信号无关。例如，对于增益为10、输出幅度vout为2v的情况，vga的输出幅度必须调整至0.2v。遗憾的是，许多vga都会因为增益范围有限而产生瓶颈——增益范围大于45db的情况很少。
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图3：采用分立设计的信号发生器输出级的简化电路。
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