MAX4145在偽隨機碼產(chǎn)生電路中的應用
關鍵詞：偽隨機碼；差分放大器；CMRR；SFDR；MAX4145
１ 引言
隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)、
微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展和一些新型元器件的應用，擴頻技術(shù)已經(jīng)廣泛地應用到通信的各個方面。圖１所示是一種擴頻通信系統(tǒng)的原理框圖。
一般情況下，擴頻通信系統(tǒng)中的發(fā)射機和接收機都必須預先知道一個預置的擴頻碼，這種擴頻碼實際上是一個足夠長且盡量接近于噪聲的偽隨機數(shù)字序列。系統(tǒng)通過偽隨機碼的捕獲與相關可以獲得二分之一碼元寬度的同步精度。這樣，偽隨機碼的質(zhì)量以及跟蹤和同步的精度對通信質(zhì)量有著直接的影響。因此，設計性能優(yōu)異的高共模抑制比、低噪聲前置放大器對于擴頻通信系統(tǒng)有著重要意義。ＭＡＸＩＭ公司的差分放大器ＭＡＸ４１４５芯片以其出眾的性能在通信系統(tǒng)設計中應用很廣，其指標完全可以滿足擴頻通信系統(tǒng)中偽碼產(chǎn)生電路的要求。ＭＡＸ４１４５系列芯片速率高、失真小、帶寬寬而且共模抑制比高，是高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中差分電路的理想器件，因而可廣泛應用于差分信號至單端信號的轉(zhuǎn)換電路、雙絞線與同軸線的轉(zhuǎn)換設備、高速差分信號接收電路、高速放大設備、數(shù)據(jù)采集設備以及醫(yī)療器械等方面。
２ ＭＡＸ４１４５的工作原理和性能特點
２．１ ＭＡＸ４１４５的工作原理
ＭＡＸ４１４５采用差分模式工作。它具有信號擺幅小、偶次諧波分量少、對噪聲的抗干擾能力強等特點，相對于單端輸入方式，ＭＡＸ４１４５可提供更優(yōu)的諧波失真（ＴＨＤ）和無雜散動態(tài)范圍（ＳＦＤＲ），因而具有較高的共模抑制比（ＣＭＲＲ）。
ＭＡＸ４１４５內(nèi)部采用三運放組合技術(shù)，可完成差分輸入、增益放大和信號輸出三種功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖２所示。其中，運放Ａ１和Ａ２完成差分輸入和增益放大功能，運放Ａ３主要進行信號的輸出和阻抗匹配。
ＭＡＸ４１４５除了具有輸入阻抗大的特點之外，其前級的共模增益失調(diào)及漂移產(chǎn)生的誤差可相互抵消，并可抑制后級共模信號， 同時可將雙端信號變?yōu)閱味溯敵觯赃m應接地負載的需要。除了三個運放之外，ＭＡＸ４１４５還包括輸出短路自保護電路和輸入保護電路，從而增加了芯片的抗毀性。通過外接電阻ＲＧ可對增益在＋１Ｖ／Ｖ～＋１０Ｖ／Ｖ范圍內(nèi)進行設置。將ＲＧ接在管腳ＲＧ－和ＲＧ＋之間時（見圖２），其增益的計算方法為：
Ｇ＝ＡＶ＝１＋（１．４ｋΩ／ＲＧ）
共模抑制比是衡量差動放大器對共模信號抑制能力的一個參數(shù)，該參數(shù)值越大，表明抑制能力越強。
２．２ ＭＡＸ４１４５的性能指標
ＭＡＸ４１４５的主要性能參數(shù)如下：
●增益可調(diào)范圍為＋１Ｖ／Ｖ～＋１０Ｖ／Ｖ；
●－３ｄＢ帶寬為１８０ＭＨｚ（ＶＯＵＴ≤０．１ＶＲＭＳ，ＡＶ＝１Ｖ／Ｖ）；
●壓擺率ＳＲ＝６００Ｖ／μｓ（－２Ｖ≤ＶＯＵＴ≤＋２Ｖ）；
●共模抑制比ＣＭＲＲ＝７５ｄＢ（ｆ＝１０ＭＨｚ）；
●無雜散動態(tài)范圍ＳＦＤＲ＝－９２ｄＢｃ（ｆ＝１０ｋＨｚ）；
●噪聲為３．８ｎＶ／√Ｈｚ（Ｇ＝＋１０Ｖ／Ｖ）；
●建立時間ｔｓ＝２０ｎｓ（－２Ｖ≤ＶＯＵＴ≤＋２Ｖ，ｔｏ ０．１％）；
●掉電模式電流為８００μＡ。
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可以通過將ＳＨＤＮ置高來使ＭＡＸ４１４５工作在掉電模式，此時輸出為高阻態(tài)。
差分模式通常要求ＩＮ－和ＩＮ＋對稱驅(qū)動，也就是說，兩個輸入信號在連接到ＩＮ－、ＩＮ＋的驅(qū)動電路以后，其相位必須保持一致，并盡可能降低其共模增益誤差。
在普通應用中，ＲＥＦ接地時，ＳＥＮＣＥ可同ＯＵＴ相連。而在一些信號傳輸距離較長的應用中，可將ＳＥＮＣＥ和ＯＵＴ同時連接到負載，這樣可以補償距離損耗，降低電壓誤差。為了降低輸出增益誤差，增大頻率響應，設計時應盡量降低ＳＥＮＣＥ端的電容和阻抗，同時輸出端ＲＥＦ和ＳＥＮＣＥ的匹配問題也很關鍵，因為ＲＥＦ和ＳＥＮＣＥ端的失配會導致共模增益損失。
在一般使用條件下，當端接阻抗為非容性負載時，ＭＡＸ４１４５具有最佳的ＡＣ性能。而一般在負載電容不超過２５ｐＦ時，輸出電壓不會發(fā)生振蕩，但對頻率響應則會產(chǎn)生一定的影響，因此，如果負載電容過大，輸出就會產(chǎn)生振鈴。為了驅(qū)動容性較大的負載，降低信號振鈴，可以在放大器輸出和負載之間加上隔離電阻，隔離電阻阻值可由信號頻率和負載容性來確定，此時的帶寬將由隔離電阻和負載電容組成的ＲＣ環(huán)路來決定。因此，增大負載容性會降低整個電路的信號帶寬，而隔離電阻則會降低分配到負載的電壓。
４ 在偽隨機碼產(chǎn)生電路中的應用
４．１ 偽隨機碼產(chǎn)生電路
偽隨機碼序列一般可以利用移位寄存器網(wǎng)絡產(chǎn)生，該網(wǎng)絡由Ｒ級串聯(lián)雙態(tài)器件移位脈沖產(chǎn)生器和模二加法器組成。圖３所示是一個簡單的四級移位寄存器網(wǎng)絡示意圖，該網(wǎng)絡可以產(chǎn)生碼長為１５的偽隨機碼。
利用ＦＰＧＡ可實現(xiàn)移位寄存器網(wǎng)絡以產(chǎn)生偽隨機碼信號，并實現(xiàn)邏輯控制和時鐘分配等功能。對于ＦＰＧＡ輸出的ＴＴＬ信號，其處理方法有兩種：一種是直接送至運放進行信號調(diào)理輸出；另外一種是將ＴＴＬ經(jīng)過Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理后再輸出。經(jīng)過分析與實際測試，筆者發(fā)現(xiàn)?由于ＦＰＧＡ輸出的信號相位抖動較為嚴重，甚至會造成信號邊沿不穩(wěn)，而且存在著嚴重的寄生信號，因而輸出的偽碼質(zhì)量較差；而如果經(jīng)過Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換后再進行調(diào)理輸出，這種影響會得到削弱，信號質(zhì)量會得到提高，因此第二種方法更為可取，在實際應用中，筆者就選擇該方法進行電路設計，并選擇差分電流輸出型Ｄ／Ａ經(jīng)過ＭＡＸ４１４５放大后直接輸出。
基于ＭＡＸ４１４５的偽隨機碼產(chǎn)生電路原理框圖如圖４所示。 該偽隨機碼產(chǎn)生電路在工作時，系統(tǒng)可以通過并口將偽碼數(shù)據(jù)分配給ＦＰＧＡ，也可由ＦＰ-ＧＡ自主產(chǎn)生偽碼信號，同時由ＦＰＧＡ完成信號處理、時鐘分配、碼同步產(chǎn)生以及波形存儲等功能。 ＭＡＸ４１４５的作用主要是完成差分到單端輸出的轉(zhuǎn)換和放大。
４．２ ＭＡＸ４１４５應用電路設計
根據(jù)系統(tǒng)對偽隨機碼的需求，ＭＡＸ４１４５的應用電路設計如圖５所示。圖中，輸入信號ＩＮ＋和ＩＮ－由上級Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)匹配電路送至ＭＡＸ４１４５。在輸出電路中，ＲＥＦ接地，ＳＥＮＣＥ和ＯＵＴ相連，該電路的增益約等于４。
４．３ 結(jié)果測量和分析
對于偽隨機碼，通常主要關注的是其超調(diào)量和邊沿上升時間。筆者對該系統(tǒng)中ＭＡＸ４１４５的輸入差分信號和輸出單端信號分別進行了測量，其測量結(jié)果列于表１。
表1 偽隨機碼系統(tǒng)中MAX4145信號的測量
| 項 目 | 電壓（V） | 正相超調(diào)（%） | 上升時間（ns） | |||
| 輸 入 | IN+ | IN- | IN+ | IN- | IN+ | IN- |
| 0.42 | -0.42 | 28.57 | 26.67 | 10.55 | 11.50 | |
| 輸 出 | -1.70～+1.72 | 6.92 | 10.53 | |||
由表１中的數(shù)據(jù)可以看出，采用ＭＡＸ４１４５可以大大降低輸入信號的超調(diào)量，而且信號邊沿上升時間也有所改善，能夠產(chǎn)生相關特性較為理想的偽隨機碼。在實際的擴頻通信系統(tǒng)中，這些改善和提高將更有利于信號的恢復和解調(diào)，從而起到提高系統(tǒng)性能的作用。
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