信号路径的每一环节剖视及详析

如何选择合适的放大器  

系统设计工程师跟着便要仔细研究模拟信号处理区块的其中一个更为严格的技术要求 -- 即单端/差分信号转换的功能(参看图 5)。这个功能通常由变压器负责执行，但由于信号频率范围已将直流电的信号频率包括在内，因此变压器无法支持这个功能，以致必须另外加设单端/差分信号放大器。这个放大器也可提供信号放大、电平转移以及阻抗匹配等功能。  

系统技术参数转为放大器技术参数的整个过程大致上与模拟/数字转换器的挑选过程无异。高速放大器有多个主要的技术参数，其中包括带宽、增益、噪音及失真。为免信号在传送到模拟/数字转换器之前已出现衰减，放大器的带宽最好比 27 MHz 信号带宽大几倍。由于模拟/数字转换器的全标度输入是 2 Vpp，而最强的信号只有 1 Vpp，因此放大器只要有两倍的增益，便可将 1 Vpp 的最强信号放大，达到与模拟/数字转换器的全标度输入信号大致相同的水平。为免已放大的信号过驱动模拟/数字转换器输入端的信号及将其振幅削平，增益应设定为稍低的 1.8 倍。ADC12DL065 芯片的信噪比是 69 dB。换言之，模拟/数字转换器的全部噪音只有 69 dB，低于 2 Vpp 的全标度输入电平，亦即约 250 mVrms。  

放大器的输出噪音最低限度应该比这个数值小两倍或低于 125 mVrms。若果为了抑制这些噪音而特别为放大器制定有关噪音电压及电流方面的技术参数，我们便要将放大器输出信号的带宽及放大器的增益所产生的影响一一计算在内。抑制混淆信号滤波器的带宽先前已确定为 32 MHz，输入模拟/数字转换器的放大器噪音带宽也同样设定为 32 MHz，而放大器的增益则设定为 1.8 倍。放大器本身的输入电压噪音进入模拟/数字转换器之后也成为输入噪音，这方面的噪音可以根据以下公式计算出来：  

Vnadc = Vnamp * ?BW * (1+增益) =  

Vnamp * ?32 MHz * 2.8 ＜ = 125 mVrms  

因此放大器的输入噪音 (Vnamp) 必须小于 8 nV/?Hz。差分信号放大器的输入电流也有可能产生噪音，若放大器四周的电阻值一经设定之后，来自差分信号放大器的噪音最后便会受到控制。失真并不是这个系统的一个重要技术参数，但放大器的失真程度应该与模拟/数字转换器的失真程度在同一范围。每一通道应该各有一个放大器，以便简化个人电脑电路板的布局设计，以及更有效抑制两个放大器之间的输入信号的高频干扰。  

以下是单端/差分信号放大器的技术规格：若增益为 1.8 倍，带宽便要高达 80MHz 以上；输入噪音不可超过 8 nV/?Hz；以及失真必须受到 70dB 以上的抑制。美国国家半导体的全新 LMH6550 差分高速运算放大器完全符合以上的规定。这款放大器的增益带宽积达 400MHz，因此若增益为 1.8 倍，放大器的带宽可达 140MHz (400 MHz / (1 + 1.8))。LMH6550 芯片的输入电压噪音是 6 nV/?Hz，比规定的 8 nV/?Hz 更优胜，若以 20MHz 2 Vpp 的信号为例来说，这款放大器只有 70dB 的失真 (典型值)，失真程度与模拟/ 数字转换器大致相同。



图 5：单端/差分信号放大器的配置

我们只要挑选几个合适的外接增益及反馈电阻，便可按照几条简单的公式，将 LMH6550 这一类差分信号运算放大器的一系列增益及输入阻抗分别加以设定。放大器的理想增益是 1.8 倍，而理想的输入电阻是 200W。  

有关的电阻值可按照以下的公式选定：  

Rin = Rs = 200W  

Rg = Rin / (1 + 增益) = 200W / (1 + 1.8) = 71.4W  

Rf = 增益 x (Rg + Rs) = 1.8 x (71.4W + 200W) = 488.5W  

Rm = Rg + Rs = (71.4W + 200W) = 271.4W  

我们可以根据上述电阻值计算出放大器输入噪音电流所产生的噪音，结果显示放大器噪音主要来自先前已计算出来的电压噪音，因此输入噪音电流所产生的噪音只有微不足道的影响。  

由于放大器的有关参数及特性已全部确定，因此我们可以为抑制混淆信号滤波器之内的电阻及电容分别选定其数值，滤波器的理想截止频率是 32MHz。以下是计算截止频率的公式：

Fc = 1 / (2p*Ro*(Co + Cadc*2))  

LMH6550 的数据表载列一款抑制混淆信号滤波器，其中所列的截止频率为 50MHz，而建议采用的 Ro 电阻为 56W。这里介绍的这款电路设计便采用这个 Ro 电阻值，而 Co 电容值也会根据 32MHz 的截止频率作出调整。  

Co = 1 / (2p*Ro*Fc) - Cadc*2)  

= 1 / (2p*56W*32MHz) – 8pF*2 = 72.8pF  

上述电阻值及电容值全部都可略加调整，以便可以采用更常用的数值。  

最后，放大器还需提供信号电平转移这个重要的功能，以便将信号电平调节至与模拟/数字转换器共模输入电压相若的水平。此外，共模电压的调节也很容易，我们只要利用 LMH6550 芯片，并将要求的共模电压 (亦即 ADC12DL065 的参考输出管脚的 1.5 伏电压) 输入放大器的 Vcm 输入端，便可调节共模电压。放大器输出共模电压最后会调节至 1.5 伏，与模拟/数字转换器的输入共模电压相若。  



图 6：输入“A”接收器系统的最后配置