两款新器件重塑信号发生器

过去，任意波形发生器最棘手的部分是输出级的设计。典型信号发生器的输出范围在25 mV 到5 V 之间。为了驱动一个50 Ω 的负载，传统设计采用高性能分立式器件，并联大量集成器件，或者成本昂贵的ASIC，而要构造出稳定且可编程范围较宽的高性能输出级，设计师往往要投入无 数小时的时间。现在，技术进步带来的放大器可以驱动这些负载，降低输出级的复杂性，同时还能减少成本、缩短上市时间。

图1. 典型信号发生器模型

在使用通用信号发生器时，先输入一个频率，然后按下一个按钮，最后仪器产生一个新的频率。接下来，输入所需输出功率， 再按下另一个按钮。在切换内部网络、调整输出电平时，继电器发出咔哒声。这种非连续运行模式是补偿宽可编程范围缺失问题的必要条件。本文提出一种新的架 构，它可以解决输出级设计中的一半问题。

克服这个前端设计挑战的两个关键组件是：提供高速、高电压和高输出电流的高性能输出级；以及带连续线性dB 调谐的可变增益放大器(VGA)。这种设计以20MHz 的性能为目标，幅度为22.4 V(+39 dBm)，负载为50 Ω。

图2. 更小、更简单的信号发生器输出级

新型紧凑式输出级
初始信号可能来自数模转换器(DAC)以产生复杂波形，也可能来自直接数字频率合成(DDS)器件以产生正弦波。任一情况下，其规格 和功率调整能力都可能达不到理想状态。第一个要求是用VGA提供衰减或增益。但许多VGA 提供的增益是有限的，往往不足以在本应用中发挥作用。

如果VGA 的输出可以设为目标电平，则无论输入为何，都可以强制输出已知幅度。例如，如果所需输出幅度为2 V，且功率输出级的增益为10，则VGA 的输出幅度应调节至0.2 V。当输出级设计正确时，输出幅度最终由VGA 输出设定。不幸的是，多数VGA因可编程范围有限而成了瓶颈问题。

AD8330 是实现50 dB 范围的首款VGA，但AD8338 则树立了新的标杆，这款新型低功耗VGA 拥有高达80 dB 的可编程范围。典型的高品质信号发生器的输出幅度范围为25 mV 至5 V。高达46 dB的可调范围超过了市面上多数现有VGA 的能力范围。理想条件下，经典信号发生器的输出幅度可能为0.5 mV 至5 V，无需使用继电器或开关网络。满量程连续可调，不存在开关和继电器的非连续性问题。另外，不用继电器还可以延长仪器寿命，提高系统可靠性。

现代DAC 和DDS 器件一般搭载差分输出，要求设计师使用一个变压器，用单端连接损失一半信号，或者添加一个差分转单端转换器。AD8338 具有天然的适用性，提供全差分接口，如图3 所示。对于正弦波应用，用DDS 取代DAC。

图3. 把DAC 连接至AD8338 的网络示例

AD8338 的一个主要特点是灵活的输入级。作为一款输入VGA，它通过ADI 研究员Barrie Gilbert 发明的"H-amp"拓扑结构来控制输入电流。该设计用反馈来平衡输入电流，同时使内部节点电压维持于1.5 V。正常条件下，使用500 Ω 输入电阻，最大1.5 V输入信号会产生3 mA 的电流。如果输入幅度较大，比如15 V，则将一个较大的电阻连接至"直接"输入引脚。该电阻的大小必须合适，以得到相同的3 mA 电流：

单端15 V 信号将以差分方式输出1.141 V。此时，最小增益条件下，AD8338 提供28.4 dB 衰减，因此，最大可能增益为+51.6 dB。作为一种低功耗器件，在1 kΩ 负载条件下，典型输出摆幅为1.5 V。

输入VGA 的功率必须满足以下条件：其总增益范围在不同设定点周围。首先，确定信号发生器产生最大输出需要的输出电平。许多商用发生器为50 Ω 负载（正弦波）只提供250 mW rms (+24 dBm)的最大输出功率。这无法满足需要更多输出功率的应用需求，比如测试高输出高频放大器、超声脉冲发生等。

电流反馈放大器(CFA)技术的进步意味着，这不再是个问题。ADA4870 CFA 可以用±20 V 电源驱动1 A（17 V）。对于正弦波，可以在满负载条件下输出最高23 MHz 的频率，使其成为新一代通用任意波形/信号发生器的理想前端驱动器。

对于反射敏感型50 Ω 系统来说，ADA4870 要求一些无源器件使源阻抗与50 Ω 负载相匹配：一个阻性焊盘和一个1.5:1 RF 自动变压器。在1 V 裕量条件下，当放大器有效负载为16 Ω 时，可取得8 W 峰值功率。另外，如果反射不构成问题，则可移除阻性焊盘，并用匝数比为0.77:1 的变压器代替自动变压器。无阻性焊盘地，输出功率增至16 W峰值（28.3 V 幅度）。

图4. ADA4870 驱动16 &Om