AD8310 高速電壓輸出型對(duì)數(shù)放大器

AD8310是AD公司生產(chǎn)的一種高速電壓輸出型對(duì)數(shù)放大器。它可對(duì)DC到440MHz的頻率縮技術(shù),其動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)95dB,而誤差僅為±3dB。該器件性能穩(wěn)定且易于使用,外部不需其它重要元件。文中介紹了該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原理以及應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。

??? 關(guān)鍵詞：對(duì)數(shù)放大器 增益 斜率 AD8310

1 概述

AD8310是一個(gè)高速電壓輸出、解調(diào)頻率范圍為DC～440MHz的對(duì)數(shù)放大器,它內(nèi)含六個(gè)串聯(lián)的放大器/限幅器,且每個(gè)放大器/限幅器的小信號(hào)增益均為14.3dB,在900MHz時(shí)帶寬為-3dB。它內(nèi)使用了9個(gè)檢測(cè)器,檢波范圍從-91dBV～+4dBV（我們定義rms為1V的正弦波的幅值為0dB）,即±40μV～±2.2V。AD8310的解調(diào)輸出可精確標(biāo)定,其對(duì)數(shù)斜率為24mV/dB,截止電壓為-108dBV,并以獨(dú)立的供電電壓和獨(dú)立的濕度作為標(biāo)定參數(shù)。AD8310采用完全差動(dòng)輸入,可提供適當(dāng)?shù)妮斎胱杩梗ú捎?kΩ電阻與1pF電容并聯(lián)）。用簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)與50Ω的輸入匹配可保證-78dBm～+17dBm的功率靈敏度。100MHz時(shí)的對(duì)數(shù)線性度的典型值在±0.4dB以內(nèi),僅稍在于440MHz時(shí)的線性度。AD8310沒(méi)有最小使用頻率的限制,因而可用于低音頻頻率。在較輕負(fù)載時(shí),輸出電壓的上邊界低于電源電壓200mV;下邊界受到噪音限制,距離負(fù)電源電壓400mV;其斜率和截止點(diǎn)可通過(guò)外部阻抗來(lái)改變。AD8310允許輸出負(fù)載有較大的變化范圍,并可驅(qū)動(dòng)高達(dá)100pF的容性負(fù)載。

AD8310集低成本、小體積、低功耗、高精度、高穩(wěn)定性、寬動(dòng)態(tài)范圍等諸多優(yōu)點(diǎn)于一身,其頻率范圍可從音頻到超高頻。另外,它還具有響應(yīng)時(shí)間快、負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于需要衰減信號(hào)到分貝級(jí)的電路中。AD8310在工業(yè)上的使用濕度范圍為-40℃～+85℃,封裝采用8腳小型SO形式。

AD8310的特性如下：

●為多級(jí)解調(diào)的對(duì)數(shù)放大器;

●采有電壓輸出,上升時(shí)間小于15ns;

●承受大電流的能力為1dBV～+4dBV;

●采用最小2.7V的單端電源電壓;

●具有DC～440MHz的工作范圍和±0.4dB的線性度;

●對(duì)數(shù)斜率為25mV/dB,截止電壓為-108dBV;

●具有高度的溫度穩(wěn)定性;

●有完全差動(dòng)的直流耦合信號(hào)通路;

●100μs的上電時(shí)間,1μA的休眠電流;

AD8310對(duì)數(shù)放大器可用于信號(hào)電平以分貝格式的轉(zhuǎn)換、發(fā)射機(jī)天線的功耗測(cè)量、接收器信號(hào)的強(qiáng)度指示、廉價(jià)雷達(dá)的聲波定位儀的信號(hào)處理網(wǎng)絡(luò)以及頻譜分析等領(lǐng)域。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1為AD8310的結(jié)構(gòu)框圖。圖中的6個(gè)主放大器/限幅器以及與它們相連的全波檢測(cè)器用來(lái)處理整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍低2/3部分的信號(hào),其余信號(hào)由位于無(wú)源衰減器14.3dB抽頭處的三個(gè)頂端檢測(cè)器處理。第一級(jí)放大器輸出低噪聲的譜密度。以上幾部分的偏置有兩個(gè)參考：一個(gè)決定它們的增益,另一個(gè)決定對(duì)數(shù)斜率并穩(wěn)定電源和濕度浮動(dòng)的帶隙電路。AD8310通過(guò)ENBL的COMS兼容電平來(lái)置位和復(fù)位。9個(gè)檢測(cè)器輸出的差動(dòng)電流模式匯合后被轉(zhuǎn)換成單邊模式（理論標(biāo)定值為2μA/dB）,經(jīng)過(guò)3kΩ的負(fù)載阻抗后,將其輸出電壓由一高速的4倍增益緩沖放大器放大,最后從VOUT輸出,其斜率為24mV/dB。沒(méi)有進(jìn)入緩沖的電壓則允許經(jīng)過(guò)一定的函數(shù)關(guān)系調(diào)整后進(jìn)入BFIN,包括附加在外部的后置解濾波電容以及斜率、截止電壓的改變等。增益的最后一級(jí)包括偏置敏感電路,并產(chǎn)生雙極性輸出電流,經(jīng)OFLT處的片內(nèi)電容積分,最后輸出的電壓用于消除第一級(jí)輸出中的從偏置。由于該電壓沒(méi)有涉及信號(hào)輸入處的連接,所以沒(méi)有在反饋回路上引入額外的電極,從而保證了偏置校準(zhǔn)回路的穩(wěn)定。

3 AD8310的使用

AD8310的高增益和寬帶寬使得它對(duì)輸入端極寬頻率范圍內(nèi)的所有信號(hào)都非常敏感。因此,不用濾波器將很難區(qū)別出所需的信號(hào),并會(huì)提高噪音的基礎(chǔ)水平,所以,屏蔽和電源退耦是至關(guān)重要的。使用AD8310時(shí)應(yīng)在VPOS端接上退耦電容,并設(shè)置一個(gè)地層,以便為公共端COMM提供低阻抗。

3.1 基本連接

圖2為AD8310的典型應(yīng)用連接圖,由VPOS提供2.7V～5.5V的電源電壓在靠近管腳處連有0.01μF的退耦電容,有時(shí)也在電源上連接一小電阻來(lái)濾除電源線上的噪聲,ENBL的閾值輸入約為1.3V。在單端輸入時(shí),應(yīng)將C1接地,使信號(hào)通過(guò)C2耦合輸入。在使用使能端時(shí),為盡量避免啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程,C1與C2的大小必須完全相等。可用52.3Ω的電阻與1.1kΩ的輸入阻抗并聯(lián),以產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)單的寬帶50Ω的匹配輸入,當(dāng)然,也可使用輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。在高頻應(yīng)用中,為減少不需要的低頻信號(hào)耦合,其轉(zhuǎn)換頻率fHP應(yīng)盡可能高;而在低頻應(yīng)用中,出于相同的考慮,必須在輸入端增加一個(gè)簡(jiǎn)單的RC低通濾波網(wǎng)絡(luò),并應(yīng)緊靠耦合電容的信號(hào)產(chǎn)生端,經(jīng)降低給定高通轉(zhuǎn)折頻率所需的電容值。

3.2 斜率和截止電壓的調(diào)整

當(dāng)系統(tǒng)校準(zhǔn)不是很有效時(shí),可以使用圖3所示的調(diào)整電路,并可逐一地或整體地對(duì)AD8310的絕對(duì)精度微調(diào)。其對(duì)數(shù)斜率可通過(guò)VR1來(lái)改變,圖3中可提供的校準(zhǔn)范圍為±10%（22.6mV/dB～27.4mV/dB）,調(diào)整功能是依靠一個(gè)精密的信號(hào)發(fā)生器交替產(chǎn)生兩個(gè)固定的輸入電平來(lái)實(shí)現(xiàn)的,一般位于動(dòng)態(tài)范圍的中心附近,如-60dB和-20dB。換句話說(shuō),使用的位于動(dòng)態(tài)范圍中心的AM-調(diào)制信號(hào)。對(duì)于調(diào)制深度為M的信號(hào),一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的峰和谷分貝變化值由下式?jīng)Q定：

ΔdB=20log10[(1+M)/(1-M)]

4 應(yīng)用設(shè)計(jì)舉例

AD8310不僅功能強(qiáng)大,而且易于使用,它只需極少的外部元件,并且絕大多數(shù)都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電路迅速連接。以下幾個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。

4.1 驅(qū)動(dòng)電纜

在3V或者更高的電源電壓下,AD8310能以2.5V的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)100Ω的接地負(fù)載;當(dāng)驅(qū)動(dòng)500Ω的電纜時(shí),如果需要反向終端,AD8310的輸出應(yīng)與之串聯(lián),圖4為驅(qū)動(dòng)電纜時(shí)的輸出響應(yīng),這時(shí)負(fù)載上的斜率可達(dá)到12mV/dB。有時(shí)它也用于驅(qū)動(dòng)無(wú)遠(yuǎn)程終端的電纜,但此時(shí)的對(duì)數(shù)斜率不可能再降低。

4.2 DC耦合輸入在一些特殊場(chǎng)合,需要對(duì)直流輸入進(jìn)行處理,由于AD8310的內(nèi)部是直流耦合的,因此,人們很自然會(huì)想到選用它,但為保證第一級(jí)的適當(dāng)偏置,AD8310的差動(dòng)輸入必須高于2V,這超過(guò)了COM的電位。通常,AD8310的輸入信號(hào)都是以地為參考的單邊信號(hào),因此必須為信號(hào)供參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)變和單端到差動(dòng)的轉(zhuǎn)換,從而使其正確驅(qū)動(dòng)AD8310的輸入。

圖5是一種如何利用AD8138差動(dòng)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)以中值電壓為參考的參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)變和單端到差動(dòng)的轉(zhuǎn)換電路。該電路由4個(gè)499Ω的電阻建立了一個(gè)增益整體。當(dāng)在AD8138的VCOM管腳加以2.5V（可由參考電壓的電阻分壓獲得）電壓時(shí),AD8138可輸出2.5V的共模電壓,其差動(dòng)輸出可直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)AD8310的1.1kΩ的輸入阻抗。此時(shí),必須對(duì)AD8138的失調(diào)電壓進(jìn)行調(diào)整。若在OFLF管腳加以1.9V左右的理論電壓,AD8310內(nèi)部的失調(diào)補(bǔ)償電路就會(huì)失去作用。因此,對(duì)AD8138的偏置調(diào)整可同時(shí)調(diào)整兩個(gè)器件的失調(diào)電壓。調(diào)整的過(guò)程是把輸入電路接地,同時(shí)輕微改變AD8138上反相輸入中的增益電阻（圖5中的50Ω電位器）,直到AD8138的輸出達(dá)到最小值。由于動(dòng)態(tài)范圍的低端受到AD8138輸出的寬帶噪聲的限制,其值約為425μVp-p。因此,當(dāng)電路并不需要對(duì)沖激響應(yīng)作出極其迅速的響應(yīng)時(shí),可在AD8138與AD8310之間加上一個(gè)差動(dòng)的低通濾波器而不必使用AD8310所構(gòu)成的電路。

5 結(jié)束語(yǔ)

AD8310具有低成本、低功耗、高精度、高穩(wěn)定性、寬動(dòng)態(tài)范圍等諸多優(yōu)點(diǎn),響應(yīng)頻率范圍可從音頻到超高頻,且反應(yīng)快,外部不需其它重要元件,同時(shí)還具有良好的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力,可廣泛應(yīng)用于需要衰減信號(hào)到分貝級(jí)的電路中。