AD605 双通道低噪声单电源可变增益功率放大器

AD605 双通道低噪声单电源可变增益功率放大器

AD605是AD公司生产的低噪声、双通道、dB线性的可变增益放大器。可用于超声波和时间增益控制、高性能AGC系统以及信号测量等方面。文中介绍了AD605的功能和特性,分析了AD605的结构和工作原理,并给出了AD605的两种基本应用电路。

    关键词：可变增益 功率放大器 低噪声 AD605

1 概述

AD605是一种低噪声、双通道、以dB呈线性的可变增益放大器,它适用于高性能、宽波段可变增益放大器控制的任何电气设备,其工作电压为+5V单电源。为方便应用,AD605提供了差分输入和单极功率控制。该放大器的灵敏性取决于用户所确定的增益范围和增益标度的参考输入（dB/V）。

因AD605具有并分输入、单电源供电、指数放大器（DSX-AMP）结构等特点,因而它具有很高的dB线性度。每一个DSX-AMP都包含一个后接高速固定增益放大器的0dB～48.4dB的可变衰减器。这些衰减器均基于一个7阶R-1.5-R阶梯网络。整个衰减器网络的衰减量为6.908dB～48.360dB。由于电路采有了DSX-AMP工艺,从而使输入噪声的光谱密度为1.8nV/(Hz)1/2,当VOCM的偏馈为Vp/2时,电路可接收±2.0V的输入信号。

AD605的每一个独立通道输出的增益范围是48dB,可完全满足用户的各种应用。AD605的输出有两种增益范围：-14dB～+34dB和0dB～48dB,这两种范围可以通过设置接在FBK和OUT两脚之间的独立电阻来选择。短接FBK和OUT可得到功率范围的下限,FBK悬空可得到功率范围的上限。单片集成块AD605的两个通道可以通过级联以输出96dB的精确功率。

AD605的增益控制接口的输入阻抗大约为2MΩ,VREF输入电压为2.5V～1.67V,对应的增益刻度取值范围为20dB/V～30dB/V。应当特别指出的是：当增益刻度取值范围增大到40dB后,30dB时的增益刻度精度将降低。AD605的增益刻度与控制电压（VGN）成线性关系,当控制电压在0.4V～2.4V范围内时,增益刻度以20dB/V标度;当控制电压为0.20V～1.20V时,增益刻度以40dB/V标度。当VGN<50mV时,放大器将自动关闭电源,此时电路的拉电流为1.9mA。正常工作模式下,AD605中每一个通道的静态电流仅有18mA。

AD605采用16脚塑料DIP和SOIC封装,其安全工作温度范围为-40℃～+85℃。

2 AD605的引脚功能及特点

2.1 AD605的引脚功能

图1所示是AD605的引脚排列图,各引脚的功能说明如表1所列。

表1 AD605的管脚定义

管脚序号	管脚命名	功能描述
1	VGN1	1通道增益控制输入和电源关闭控制脚。如果接地,该装置将关闭,融正极电压的增益将提高
2	-IN1	1通道负极输入
3	+IN1	1通道正极输入
4	GND1	地
5	GND2	地
6	+IN2	2通道正极输入
7	-IN2	2通道负极输入
8	VGN2	2通道增益控制输入和电源关闭控制脚。如果接地,该装置将关闭,否则正极电压的增益将提高
9	VOCM	定义OUT1和OUT2共模电压输入端
10	OUT2	2通道输出
11	FBK2	2通道选择反馈端
12	VPOS	电源正极输入
13	VPOS	电源正极输入
14	FBK1	1通道选择反馈端
15	OUT1	1通道输出
16	VREF	两个通道的增益刻度设置输入：2.5=20dB/V,1.67V=30dB/V

2.2 AD605的特点

AD605的主要特点如下：

●有两个以dB呈线性的独立通道;

●最大功率时的输入噪声为1.8nV/(Hz)1/2和2.7nV/(Hz)1/2;

●带宽为40MHz(-3dB);

●采用差分输入方式：

●增益不随温度和电源变化;

●采用单终端单极增益控制;

●共模输出可独立设置;

●电源在增益控制底端将自动关闭;

●低功耗：90mW/每通道;

● 可直接驱动A/D转换。

3 工作原理

AD605是一种双通道低噪声可变增益放大器。图2给出了AD605放大器中一个通道的功能块图。它的每一个通道都包含一个独立的供电系统X-AMP（即DSX,也就是差分独立供电系统X-AMP）。该系统由一个精确的被动式衰减器(差分阶梯形网络)、一个增益控制模块、一个经由分压电阻R3和R4缓冲的VOCM和一个带有增益调整电阻R1、R2的主动式负反馈放大器（AFA）等四部分组成。

AD605中每个通道的增益范围均可根据接在FBK和OUT之间的电阻阻值的不同来选择-14dB～+34dB或0dB～48dB。其中心的40dB增益以dB呈精确线性,而在增益范围的上限和下限处,增益误差将增大。AD605的增益由增益控制电压（VGN）设置,其VREF输入决定了增益刻度的取值范围。有效的增益刻度范围在20dB/V和40dB/V之间,对应的VREF电压分别为2.5V和1.25V。

由于AD605的两个通道完全相同,下面以通道1来说明其工作原理。在整个集成块中只有VREF和VOCM两个输入端是共享的。由于两个通道共用一个交流地,因此它们之间的串扰可减到最小。如果希望具有精度很高的增益标度,VREF应外接一个输入阻抗较低的电源。对于20dB/V的低灵敏度应用,可以在VREF输入端和地之间接一个去耦电容。在这种模式下,AD605的增益刻度由+VCC和GND的中点值来决定,所以,当增益控制电压为+5V时,控制要特点仔细。VREF端的输入阻抗为10kΩ±20%。

AD605为单电源供电电路,VOCM脚的功能是设置本通道电路的中点直流电平。VOCM的输入电路仅需要一个接地电容来确定电源电压的中点（即+5V和GND之间电压的中点）;然而,如果输出直流电平对用户非常重要的话,VOCM也可以特定设置。VOCM端的输入阻抗为45Ω±20%。

3.1 差分阶梯形网络（衰减器）

位于固定增益放大器前端的衰减器是由一个差分7阶R-1.5R电阻网络实现的,该网络带有一个输入阻抗为175Ω或350Ω的纯电阻单终端。该网络对输入信号的衰减为每阶6.908dB,因此第一阶的衰减为6.908dB,第二阶的衰减为13.816dB,依此类推,直到最后一阶总的衰减量为48.356dB。在两阶电路的接口处采用了特殊的电路技术来保证信号的连续性,从而实现了信号在0～48.36dB范围内的连续衰减。该阶梯网络和其内插装置一起可以认为是一个压近电位器。

由于DSX是一个单电源电路,所以它需要加一定的偏置电压。该偏压可通过节点MID和VOCM缓冲来得到。因为没有内部偏置电压,所以必须加一个外部偏压。该部分电路需要认真设计,否则这个偏置网络会带入额外的噪声和漂移。要实现内部偏压,只需要将信号交流耦合到DSX即可。需要说明的是：当驱动不同时,DSX的输入也是完全不同的。由于+IN和-IN两脚的信号相同但极性相反。因此,在驱动不同时,其终端负载将发生变化。如果每一个输入均是一个单终端设备,则负载阻抗为175Ω,而驱动不同时负载阻抗则为350Ω.如果把这个阶梯形网络看作两个由VOCM缓冲提供偏压的175Ω电阻背对背和中间节点MID相接,那么负载电阻的变化就很容易理解了。如果一个差动信号加在+IN和-IN之间,则流入中间节点MID的电流为零,但是如果一个单终端信号输入到+IN或-IN脚,而其它输入是交流地时,则将会使电流通过中间节点MID流入VOCM缓冲器。

3.2 交流耦合

由于DSX是一个独立的单电源供电电路,所以它需要通过交流耦合来输入共基极接地信号。如图2所示,C1和C2将输入信号转变为直流电压值,该值由VOCM决定（通常为2.5V）。从每个DSX输入（+IN和-IN）看,C1、C2和175Ω电阻组成了一个高通滤波器,其截止频率依赖于C1和C2的容量值。

如果DSX输出需要一个参考地,则可则加另外一个交流耦合电容以进行电平转换。该电容也可以消除DSX产生的任何直流漂移。此时如果接一个500Ω的一般负载和一个0.1μF的耦合电容,则将使-3dB高通截止频率提高大约3.2kHz。

这三个耦合电容都应根据具体的应用来选择,电容的选择应使信号无衰减的通过,同时要限制系统内的低频噪声。

3.3 主动式反馈放大器

要实现单电源操作和DSX的全微分输入,必须采用一个主动式反馈放大器（AFA）。AFA是一个具有两个gm级的基本运算放大器;其中一级用于反馈支路,另一级作为差分输入。值得指出的是,差分输入是一个开环支路,这就要求该支路在所使用的输入信号范围内必须具有很高的线性度。在这个设计中,衰减器上检测电压的gm级是分布式的,gm级的级数和网络上阶梯的数量相同。只有少数gm级是依靠增益控制电压而始终处于开启状态。

由于AFA的一个输入（G1）是全微分的,所以,AFA可以采用差分输入结构。其两个输入端中的一个由一个分布的gm级构成;另一个则（G2）用于反馈。G1的输出可作为高增益放大器（A0）的衰减网络上的传感电压。因为是负反馈,所以高增益放大器的差分输入必须为零,也就是说,G2倍gm2(G2的互导)的差分输入电压必须等于G1倍gm1（G1的互导）的分输入电压。因此,AFA的全功率函数为：

VOUT/VATTEN=(gm1/gm2)(R1R2/R2)

式中,VOUT是输出电压,VATTEN是衰减器上的有效电压,如果（R1+R2）/R2=42,gm1/gm2=1.25,那么全功率为52.5（34.3dB）。

利用AFA可通过改变阶梯网络的输入极性改变输出信号的极性,同时,它的-IN脚可以作为第二个输入使用并完成对DSX的共模电压的独立控制。

通常条件下,最好在VOCM脚接一个去耦电容,此时,DSX的共模电压为电源电压的一半;同时可允许最大信号幅度输入。否则,共模电压将直接由VOCM端的电压来控制调高或者调低。另外,VOCM也可以作为信号输入端,其唯一的局限是VOCM缓冲的回转频率太低。

如果输出信号的直流电平不够,通常需要在DSX的输出端再加一个耦合电容。这样可以有效地消除DSX产生的直流电平漂移（参见交流耦合部分）。

增益范围可以通过接在FBK和OUT之间的电阻来设定。若FBK和OUT直接相连,则增益变化范围为-14dB～+34.4dB;若FBK与OUT断开,那么增益变化范围为0dB～+48.4dB。需要说明的是：在较高的增益范围内,增益每提高14dB,放大器的带宽将减小5～8MHz。

4 AD605的典型应用

4.1 AD605的单通道连接

图3所示是AD605在增益范围为-14dB～+34.4dB时基本接线图。信号由AD605的3脚输入。-IN1和IN1两脚的效流耦合电容需要根据最低截止频率来合理选择,本电路选取的容量为0.1μF。如果DSX的输入阻抗为175Ω,那么此时该放大器的-3dB带宽上限为9.1kHz。最高截止频率为40MHz。

正如上面所说,AD605的输出是最佳效能的交流匹配。如果再接一个10位40MSPS的A/D转换器AD9050,那么就可省略交流耦合头在VOCM脚施加的与AD9050相同的3.3V共模偏压。

VREF脚需要一个1.25V～2.5V的电压,对应的增益刻度分别为40dB/V和20dB/V。VGN脚的电压控制着增益的变化;它的工作电压范围通常在增益刻度取40dB/V时0.125V～1.325V,在取20dB/V时为0.25V～2.65V。如果VGN脚接地,它对应的通道电源将被关闭,而输出也同时被切断。

4.2 扩展增益的应用电路

如图4所示,AD605的两个通道并联可以将总增益范围扩展到96.8dB。当R1、R2短路时,增益范围为-28dB～+68.8dB,此时的通频带宽稍微有些减小,其值为30MHz。通频带的减小是由于两个完全相同的低通电路并联造成的,当两个相同的低通滤波器并联时,电路的通频带将减小1.414倍。如果R1和R2用开路代替,也就是FBK1和FBK2两个脚不连通,那么增益范围将增加28dB。如前所述,虽然增益增加了14dB,但是每一个通道的带宽都将减小5～8MHz。另外,由于两个通道并联又将使带宽减小1.414倍,所以在最终获得较高增益时,总的带宽减小大约6MHz。

另外还有两个简单的组合可以得到-14dB～82.8dB的增益范围,一是将R1短路,R2开路;二是将R1开路,R2短路。两种方法较好一些,因为提高第一个放大器的增益时,第二个放大器的噪声对总的输出影响较小。一个值得考虑的问题是当增益提高噪声也会随之增大,因此,信噪比不会提高。利用图4所示电路可在-28dB～+68.8dB和0dB～+96.8dB之间获得任何一个增益范围。当R1、R2选取除开路和短路以外的任何值时,最终的增益范围将取决于外部阻抗和片内阻抗的匹配程度。由于片内阻抗可以在±20%内变化,所以要得到一个特定的增益值,外部电阻的取值将完全根据经验来定。由于同一块集成块中的两个通道的匹配性非常好,所以图4中的R1和R2的取值相同。

如果OUT1的共模电压与+IN2和-IN2中的共模电压相同,电容C3是不需要的。但是,如果第一级DSX产生1mV的偏移,那么当第二级DSX设置为最低功率增益范围（+34.8dB）的最大增益时,将会导致53mV的偏移,而当第二级DSX设置为最高功率增益范围（+48.8dB）的最大增益时,将会导致263mV的偏移,所以在级联的放大器的输出端加一个交流耦合电容来得到最大的动态范围是很有必要的。如果输出信号除了需要OUT2脚的1/2电压作参考外还需要其它共模电压作参考电平的话,则必须加上电容。