AD8310 高速电压输出型对数放大器

AD8310 高速电压输出型对数放大器

AD8310是AD公司生产的一种高速电压输出型对数放大器。它可对DC到440MHz的频率缩技术,其动态范围高达95dB,而误差仅为±3dB。该器件性能稳定且易于使用,外部不需其它重要元件。文中介绍了该芯片的内部结构、原理以及应用设计方法。

    关键词：对数放大器 增益 斜率 AD8310

1 概述

AD8310是一个高速电压输出、解调频率范围为DC～440MHz的对数放大器,它内含六个串联的放大器/限幅器,且每个放大器/限幅器的小信号增益均为14.3dB,在900MHz时带宽为-3dB。它内使用了9个检测器,检波范围从-91dBV～+4dBV（我们定义rms为1V的正弦波的幅值为0dB）,即±40μV～±2.2V。AD8310的解调输出可精确标定,其对数斜率为24mV/dB,截止电压为-108dBV,并以独立的供电电压和独立的湿度作为标定参数。AD8310采用完全差动输入,可提供适当的输入阻抗（采用1kΩ电阻与1pF电容并联）。用简单的网络与50Ω的输入匹配可保证-78dBm～+17dBm的功率灵敏度。100MHz时的对数线性度的典型值在±0.4dB以内,仅稍在于440MHz时的线性度。AD8310没有最小使用频率的限制,因而可用于低音频频率。在较轻负载时,输出电压的上边界低于电源电压200mV;下边界受到噪音限制,距离负电源电压400mV;其斜率和截止点可通过外部阻抗来改变。AD8310允许输出负载有较大的变化范围,并可驱动高达100pF的容性负载。

AD8310集低成本、小体积、低功耗、高精度、高稳定性、宽动态范围等诸多优点于一身,其频率范围可从音频到超高频。另外,它还具有响应时间快、负载驱动能力强等特点,可广泛应用于需要衰减信号到分贝级的电路中。AD8310在工业上的使用湿度范围为-40℃～+85℃,封装采用8脚小型SO形式。

AD8310的特性如下：

●为多级解调的对数放大器;

●采有电压输出,上升时间小于15ns;

●承受大电流的能力为1dBV～+4dBV;

●采用最小2.7V的单端电源电压;

●具有DC～440MHz的工作范围和±0.4dB的线性度;

●对数斜率为25mV/dB,截止电压为-108dBV;

●具有高度的温度稳定性;

●有完全差动的直流耦合信号通路;

●100μs的上电时间,1μA的休眠电流;

AD8310对数放大器可用于信号电平以分贝格式的转换、发射机天线的功耗测量、接收器信号的强度指示、廉价雷达的声波定位仪的信号处理网络以及频谱分析等领域。

2 内部结构

图1为AD8310的结构框图。图中的6个主放大器/限幅器以及与它们相连的全波检测器用来处理整个动态范围低2/3部分的信号,其余信号由位于无源衰减器14.3dB抽头处的三个顶端检测器处理。第一级放大器输出低噪声的谱密度。以上几部分的偏置有两个参考：一个决定它们的增益,另一个决定对数斜率并稳定电源和湿度浮动的带隙电路。AD8310通过ENBL的COMS兼容电平来置位和复位。9个检测器输出的差动电流模式汇合后被转换成单边模式（理论标定值为2μA/dB）,经过3kΩ的负载阻抗后,将其输出电压由一高速的4倍增益缓冲放大器放大,最后从VOUT输出,其斜率为24mV/dB。没有进入缓冲的电压则允许经过一定的函数关系调整后进入BFIN,包括附加在外部的后置解滤波电容以及斜率、截止电压的改变等。增益的最后一级包括偏置敏感电路,并产生双极性输出电流,经OFLT处的片内电容积分,最后输出的电压用于消除第一级输出中的从偏置。由于该电压没有涉及信号输入处的连接,所以没有在反馈回路上引入额外的电极,从而保证了偏置校准回路的稳定。

3 AD8310的使用

AD8310的高增益和宽带宽使得它对输入端极宽频率范围内的所有信号都非常敏感。因此,不用滤波器将很难区别出所需的信号,并会提高噪音的基础水平,所以,屏蔽和电源退耦是至关重要的。使用AD8310时应在VPOS端接上退耦电容,并设置一个地层,以便为公共端COMM提供低阻抗。

3.1 基本连接

图2为AD8310的典型应用连接图,由VPOS提供2.7V～5.5V的电源电压在靠近管脚处连有0.01μF的退耦电容,有时也在电源上连接一小电阻来滤除电源线上的噪声,ENBL的阈值输入约为1.3V。在单端输入时,应将C1接地,使信号通过C2耦合输入。在使用使能端时,为尽量避免启动时的瞬态过程,C1与C2的大小必须完全相等。可用52.3Ω的电阻与1.1kΩ的输入阻抗并联,以产生一个简单的宽带50Ω的匹配输入,当然,也可使用输入匹配网络。在高频应用中,为减少不需要的低频信号耦合,其转换频率fHP应尽可能高;而在低频应用中,出于相同的考虑,必须在输入端增加一个简单的RC低通滤波网络,并应紧靠耦合电容的信号产生端,经降低给定高通转折频率所需的电容值。

3.2 斜率和截止电压的调整

当系统校准不是很有效时,可以使用图3所示的调整电路,并可逐一地或整体地对AD8310的绝对精度微调。其对数斜率可通过VR1来改变,图3中可提供的校准范围为±10%（22.6mV/dB～27.4mV/dB）,调整功能是依靠一个精密的信号发生器交替产生两个固定的输入电平来实现的,一般位于动态范围的中心附近,如-60dB和-20dB。换句话说,使用的位于动态范围中心的AM-调制信号。对于调制深度为M的信号,一个调制周期内的峰和谷分贝变化值由下式决定：

ΔdB=20log10[(1+M)/(1-M)]

4 应用设计举例

AD8310不仅功能强大,而且易于使用,它只需极少的外部元件,并且绝大多数都可以通过简单的电路迅速连接。以下几个典型的应用实例。

4.1 驱动电缆

在3V或者更高的电源电压下,AD8310能以2.5V的电压来驱动100Ω的接地负载;当驱动500Ω的电缆时,如果需要反向终端,AD8310的输出应与之串联,图4为驱动电缆时的输出响应,这时负载上的斜率可达到12mV/dB。有时它也用于驱动无远程终端的电缆,但此时的对数斜率不可能再降低。

4.2 DC耦合输入在一些特殊场合,需要对直流输入进行处理,由于AD8310的内部是直流耦合的,因此,人们很自然会想到选用它,但为保证第一级的适当偏置,AD8310的差动输入必须高于2V,这超过了COM的电位。通常,AD8310的输入信号都是以地为参考的单边信号,因此必须为信号供参考点的转变和单端到差动的转换,从而使其正确驱动AD8310的输入。

图5是一种如何利用AD8138差动放大器来实现以中值电压为参考的参考点的转变和单端到差动的转换电路。该电路由4个499Ω的电阻建立了一个增益整体。当在AD8138的VCOM管脚加以2.5V（可由参考电压的电阻分压获得）电压时,AD8138可输出2.5V的共模电压,其差动输出可直接用来驱动AD8310的1.1kΩ的输入阻抗。此时,必须对AD8138的失调电压进行调整。若在OFLF管脚加以1.9V左右的理论电压,AD8310内部的失调补偿电路就会失去作用。因此,对AD8138的偏置调整可同时调整两个器件的失调电压。调整的过程是把输入电路接地,同时轻微改变AD8138上反相输入中的增益电阻（图5中的50Ω电位器）,直到AD8138的输出达到最小值。由于动态范围的低端受到AD8138输出的宽带噪声的限制,其值约为425μVp-p。因此,当电路并不需要对冲激响应作出极其迅速的响应时,可在AD8138与AD8310之间加上一个差动的低通滤波器而不必使用AD8310所构成的电路。

5 结束语

AD8310具有低成本、低功耗、高精度、高稳定性、宽动态范围等诸多优点,响应频率范围可从音频到超高频,且反应快,外部不需其它重要元件,同时还具有良好的负载驱动能力,可广泛应用于需要衰减信号到分贝级的电路中。