如何设计通过电压增益放大器和电流反馈放大器搭建的小型经济的输出级

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。

AD8130

高速
AD8130：270 MHz，1090 V/µs (G = +1)
AD8129：200 MHz，1060 V/µs (G = +10)

高共模抑制比(CMRR)
94 dB(最小值，DC至100 kHz)
80 dB(最小值，2 MHz)
70 dB (10 MHz)

高输入阻抗：1 MΩ差分

低噪声
AD8130：12.5 nV/√Hz
AD8129：4.5 nV/√Hz

输入共模范围：±10.5 V

低失真，1 V峰峰值 (5 MHz)：
AD8130，-79 dBc(最差谐波，5 MHz)
AD8129，-74 dBc(最差谐波，5 MHz)

用户可调增益
G = +1无需外部元件

电源电压范围：+4.5 V至±12.6 V

省电模式