AD8310 高速電壓輸出型對數放大器

AD8310是AD公司生產的一種高速電壓輸出型對數放大器。它可對DC到440MHz的頻率縮技術,其動態范圍高達95dB,而誤差僅為±3dB。該器件性能穩定且易于使用,外部不需其它重要元件。文中介紹了該芯片的內部結構、原理以及應用設計方法。

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1 概述

AD8310是一個高速電壓輸出、解調頻率范圍為DC～440MHz的對數放大器,它內含六個串聯的放大器/限幅器,且每個放大器/限幅器的小信號增益均為14.3dB,在900MHz時帶寬為-3dB。它內使用了9個檢測器,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的解調輸出可精確標定,其對數斜率為24mV/dB,截止電壓為-108dBV,并以獨立的供電電壓和獨立的濕度作為標定參數。AD8310采用完全差動輸入,可提供適當的輸入阻抗（采用1kΩ電阻與1pF電容并聯）。用簡單的網絡與50Ω的輸入匹配可保證-78dBm～+17dBm的功率靈敏度。100MHz時的對數線性度的典型值在±0.4dB以內,僅稍在于440MHz時的線性度。AD8310沒有最小使用頻率的限制,因而可用于低音頻頻率。在較輕負載時,輸出電壓的上邊界低于電源電壓200mV;下邊界受到噪音限制,距離負電源電壓400mV;其斜率和截止點可通過外部阻抗來改變。AD8310允許輸出負載有較大的變化范圍,并可驅動高達100pF的容性負載。

AD8310集低成本、小體積、低功耗、高精度、高穩定性、寬動態范圍等諸多優點于一身,其頻率范圍可從音頻到超高頻。另外,它還具有響應時間快、負載驅動能力強等特點,可廣泛應用于需要衰減信號到分貝級的電路中。AD8310在工業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：

●為多級解調的對數放大器;

●采有電壓輸出,上升時間小于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;

●對數斜率為25mV/dB,截止電壓為-108dBV;

●具有高度的溫度穩定性;

●有完全差動的直流耦合信號通路;

●100μs的上電時間,1μA的休眠電流;

AD8310對數放大器可用于信號電平以分貝格式的轉換、發射機天線的功耗測量、接收器信號的強度指示、廉價雷達的聲波定位儀的信號處理網絡以及頻譜分析等領域。

2 內部結構

圖1為AD8310的結構框圖。圖中的6個主放大器/限幅器以及與它們相連的全波檢測器用來處理整個動態范圍低2/3部分的信號,其余信號由位于無源衰減器14.3dB抽頭處的三個頂端檢測器處理。第一級放大器輸出低噪聲的譜密度。以上幾部分的偏置有兩個參考：一個決定它們的增益,另一個決定對數斜率并穩定電源和濕度浮動的帶隙電路。AD8310通過ENBL的COMS兼容電平來置位和復位。9個檢測器輸出的差動電流模式匯合后被轉換成單邊模式（理論標定值為2μA/dB）,經過3kΩ的負載阻抗后,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。沒有進入緩沖的電壓則允許經過一定的函數關系調整后進入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。增益的最后一級包括偏置敏感電路,并產生雙極性輸出電流,經OFLT處的片內電容積分,最后輸出的電壓用于消除第一級輸出中的從偏置。由于該電壓沒有涉及信號輸入處的連接,所以沒有在反饋回路上引入額外的電極,從而保證了偏置校準回路的穩定。

3 AD8310的使用

AD8310的高增益和寬帶寬使得它對輸入端極寬頻率范圍內的所有信號都非常敏感。因此,不用濾波器將很難區別出所需的信號,并會提高噪音的基礎水平,所以,屏蔽和電源退耦是至關重要的。使用AD8310時應在VPOS端接上退耦電容,并設置一個地層,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,有時也在電源上連接一小電阻來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,應將C1接地,使信號通過C2耦合輸入。在使用使能端時,為盡量避免啟動時的瞬態過程,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,以產生一個簡單的寬帶50Ω的匹配輸入,當然,也可使用輸入匹配網絡。在高頻應用中,為減少不需要的低頻信號耦合,其轉換頻率fHP應盡可能高;而在低頻應用中,出于相同的考慮,必須在輸入端增加一個簡單的RC低通濾波網絡,并應緊靠耦合電容的信號產生端,經降低給定高通轉折頻率所需的電容值。

3.2 斜率和截止電壓的調整

當系統校準不是很有效時,可以使用圖3所示的調整電路,并可逐一地或整體地對AD8310的絕對精度微調。其對數斜率可通過VR1來改變,圖3中可提供的校準范圍為±10%（22.6mV/dB～27.4mV/dB）,調整功能是依靠一個精密的信號發生器交替產生兩個固定的輸入電平來實現的,一般位于動態范圍的中心附近,如-60dB和-20dB。換句話說,使用的位于動態范圍中心的AM-調制信號。對于調制深度為M的信號,一個調制周期內的峰和谷分貝變化值由下式決定：

ΔdB=20log10[(1+M)/(1-M)]

4 應用設計舉例

AD8310不僅功能強大,而且易于使用,它只需極少的外部元件,并且絕大多數都可以通過簡單的電路迅速連接。以下幾個典型的應用實例。

4.1 驅動電纜

在3V或者更高的電源電壓下,AD8310能以2.5V的電壓來驅動100Ω的接地負載;當驅動500Ω的電纜時,如果需要反向終端,AD8310的輸出應與之串聯,圖4為驅動電纜時的輸出響應,這時負載上的斜率可達到12mV/dB。有時它也用于驅動無遠程終端的電纜,但此時的對數斜率不可能再降低。

4.2 DC耦合輸入在一些特殊場合,需要對直流輸入進行處理,由于AD8310的內部是直流耦合的,因此,人們很自然會想到選用它,但為保證第一級的適當偏置,AD8310的差動輸入必須高于2V,這超過了COM的電位。通常,AD8310的輸入信號都是以地為參考的單邊信號,因此必須為信號供參考點的轉變和單端到差動的轉換,從而使其正確驅動AD8310的輸入。

圖5是一種如何利用AD8138差動放大器來實現以中值電壓為參考的參考點的轉變和單端到差動的轉換電路。該電路由4個499Ω的電阻建立了一個增益整體。當在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,AD8138可輸出2.5V的共模電壓,其差動輸出可直接用來驅動AD8310的1.1kΩ的輸入阻抗。此時,必須對AD8138的失調電壓進行調整。若在OFLF管腳加以1.9V左右的理論電壓,AD8310內部的失調補償電路就會失去作用。因此,對AD8138的偏置調整可同時調整兩個器件的失調電壓。調整的過程是把輸入電路接地,同時輕微改變AD8138上反相輸入中的增益電阻（圖5中的50Ω電位器）,直到AD8138的輸出達到最小值。由于動態范圍的低端受到AD8138輸出的寬帶噪聲的限制,其值約為425μVp-p。因此,當電路并不需要對沖激響應作出極其迅速的響應時,可在AD8138與AD8310之間加上一個差動的低通濾波器而不必使用AD8310所構成的電路。

5 結束語

AD8310具有低成本、低功耗、高精度、高穩定性、寬動態范圍等諸多優點,響應頻率范圍可從音頻到超高頻,且反應快,外部不需其它重要元件,同時還具有良好的負載驅動能力,可廣泛應用于需要衰減信號到分貝級的電路中。