AD8307型對(duì)數(shù)放大器及其應(yīng)用

摘要：AD8307是一款基于連續(xù)壓縮技術(shù)的完全單片500 MHz解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，該對(duì)數(shù)放大器提供92 dB的動(dòng)態(tài)范圍，即使在高達(dá)100 MHz的頻率下仍能提供誤差為±l dB的88 dB動(dòng)態(tài)范圍。AD8307輸出電壓斜率為25 mV／dB(截止點(diǎn)為-84 dBm)。介紹AD8307的基本結(jié)構(gòu)、功能特性及其在超聲波回波接收電路中的應(yīng)用以及相應(yīng)抗干擾措施。
關(guān)鍵詞：對(duì)數(shù)放大器；AD8307；解調(diào)；25 mV／dB；超聲波回波

    信號(hào)處理領(lǐng)域中，一些信號(hào)具有寬泛的動(dòng)態(tài)范圍，比如雷達(dá)、聲納等系統(tǒng)中，需處理的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到120 dB以上：超聲波回波接收器前端電壓也可從“μV”級(jí)到“V”級(jí)。而寬泛的動(dòng)態(tài)范同往往給應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來諸多問題。實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)都會(huì)對(duì)所處理信號(hào)進(jìn)行非線性壓縮，而大多采用對(duì)數(shù)放大器實(shí)現(xiàn)非線性壓縮。該放大器可使輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的包絡(luò)成對(duì)數(shù)比例，并對(duì)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的壓縮無需像AGC系統(tǒng)耶樣提取輸入信號(hào)的電平來控制增益，其增益與信號(hào)大小成反比，可廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、超聲、電子對(duì)抗等領(lǐng)域。這里給出AD8307型對(duì)數(shù)放大器及其應(yīng)用。

1 對(duì)數(shù)放大器AD8307簡(jiǎn)介
    對(duì)數(shù)放大器的主要功能是計(jì)算某個(gè)輸入信號(hào)包絡(luò)的對(duì)數(shù)。AD8307是8引腳SOIC_N封裝的，基于連續(xù)壓縮技術(shù)的完全單片500 MHz解調(diào)對(duì)數(shù)放大器。該對(duì)數(shù)放大器能夠提供92 dB的動(dòng)態(tài)范圍，即使在高達(dá)100 MHz的頻率下仍能提供88 dB動(dòng)態(tài)范圍，其誤差為±1 dB，而且電路中無需實(shí)質(zhì)意義的外部元件。AD8307采用2．7～5．5 V、7．5 mA的單電源供電，低功耗，3 V時(shí)功耗儀為22．5 mW。

    圖l為AD8307的內(nèi)部功能原理框圖，該器件主要由6個(gè)放大限幅級(jí)組成，每級(jí)具有14．3 dB的增益和900 MHz的小信號(hào)帶寬，總增益量86 dB，-3 dB帶寬為500 MHz。整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍由6個(gè)放大限幅級(jí)及與其相連的gm型全波檢波器和置于無源衰減器14．3 dB抽頭的3個(gè)頂端檢測(cè)器共同實(shí)現(xiàn)。其偏置由兩基準(zhǔn)提供，一個(gè)基準(zhǔn)確定增益，另一基準(zhǔn)是帶隙電路，決定對(duì)數(shù)斜率和電源及溫度變化的穩(wěn)定性。AD8307通過具有CMOS電平兼容的ENB引腳實(shí)現(xiàn)使能和禁止。AD8307的第1放大級(jí)具有極低的電壓噪聲頻譜密度。
    對(duì)9個(gè)檢波器輸m的差分電流求和，然后在輸出級(jí)轉(zhuǎn)換為單端方式輸出。對(duì)數(shù)輸出電壓由該電流流經(jīng)片內(nèi)12．5 kΩ電阻形成，并在引腳OUT形成斜率為25 mV／dB的輸出電壓。此電壓未經(jīng)任何緩沖，允許用于各種特定的輸出接口。校正最后一級(jí)檢波器處的對(duì)數(shù)截止點(diǎn)的溫度穩(wěn)定性，這樣在整個(gè)電壓輸出范圍均可工作穩(wěn)定。截止點(diǎn)采用引腳INT調(diào)節(jié)，可對(duì)輸出電流分流或補(bǔ)償一小電流。
    最后增益級(jí)還包含失調(diào)檢測(cè)單元，當(dāng)信號(hào)增加直流偏置而不平衡時(shí)，檢測(cè)單元產(chǎn)生一雙極性的輸出電流，該電流由一片內(nèi)電容充電產(chǎn)生(可在引腳OFS外加一只電容器以增加其充電能力)。電容充電電壓用于微調(diào)第一級(jí)失調(diào)輸出。由于該電容器不與信號(hào)輸入引腳相連，因此不會(huì)影響失調(diào)校正回路的穩(wěn)定性。
    AD8307建立在先進(jìn)的絕緣隔離雙極互補(bǔ)工藝基礎(chǔ)上，內(nèi)部大部分電阻都是薄膜型且具有低溫漂和高線性，其絕對(duì)誤差在±20％內(nèi)。  AD8307中的內(nèi)部電容器絕對(duì)誤差在±15％以內(nèi)。由于是有源器件和靜電防護(hù)(ESD)，大多數(shù)接口都附加有小容量結(jié)電容與其相連。
1．1 使能接口
    圖2為AD8307片選使能接口電路，2個(gè)二極管組成的三極管電路控制帶隙參考源和偏置發(fā)生器的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)引腳ENB接+5 V時(shí)，最大電流為100μA；該引腳懸空或接小于l V電壓時(shí)，AD8307處于待機(jī)狀態(tài)(待機(jī)電流小于50μA)；該引腳連接電源電壓或高于2 V的電壓，該器件使能。由于內(nèi)部偏置電路動(dòng)作迅速，因此其導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間均小于100 ns。在對(duì)數(shù)放大器實(shí)現(xiàn)全部動(dòng)態(tài)范圍前需一定延遲時(shí)間。該延遲時(shí)間主要是由輸入交流耦合或偏置控制回路引起的。

1．2 輸入接口
    圖3為AD8307信號(hào)輸入接口電路，CP和CM是輸入端對(duì)地的寄生電容，CD是差分輸入電容(作用于VQl和VQ2上)。大多數(shù)應(yīng)用中輸入是交流耦合。當(dāng)允許時(shí)，S開關(guān)閉合；禁止時(shí)，輸入端懸空，偏置電流，IE關(guān)斷，耦合電容保持充電狀態(tài)。如果對(duì)數(shù)放大器長(zhǎng)時(shí)間禁止，微弱漏電流會(huì)使耦合電容放電。如果電容匹配不佳，上電瞬間充電會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)限制動(dòng)態(tài)范嗣的較低部分直到此電動(dòng)勢(shì)遠(yuǎn)小于信號(hào)。

    大多數(shù)應(yīng)用中為單端信號(hào)，可能在引腳l或引腳8輸入，而另一輸入引腳對(duì)地交流耦合。此條件下，工作在3 V電源下的AD8307最大處理輸入信號(hào)是+10 dBm(等效振幅為±l V的正弦波)，而工作在5 V電源下能處理+16 dBm的信號(hào)。使用全平衡驅(qū)動(dòng)，則在2．7 V的低電壓下可處理+16 dBm信號(hào)，對(duì)于高于10 MHz的頻率，則用一匹配網(wǎng)絡(luò)就可實(shí)現(xiàn)。該匹配網(wǎng)絡(luò)是在輸入端放置一電感器，以消除感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。某些情況下，直流耦合使用AD8307，要求把升高的共模輸入電平提供給對(duì)數(shù)放大器，這時(shí)應(yīng)使用低噪聲、低失調(diào)的緩沖放大器。使用±3 V的雙電源，電路就可檢測(cè)到0 V輸入信號(hào)。
1．3 偏置接口
    圖4為AD8307偏置接口電路，輸入直流偏置通過引腳3調(diào)零，VQ1和VQ2是第l級(jí)輸入晶體管，接相應(yīng)的負(fù)載電阻(125 Ω)。VQ3和VQ4產(chǎn)生一小電流，該電流引起信號(hào)直流偏置。當(dāng)引腳OFS電壓約1．5 V，兩電流相等，通常是16 μA。當(dāng)引腳OFS接地，VQ4截止并且使流經(jīng)VQ3的電流產(chǎn)生2 mV的偏置電壓，因第1級(jí)的增益系數(shù)是5。這相當(dāng)于一個(gè)400 μV的輸入偏置(INP到INM)。當(dāng)引腳OFS接高電平時(shí)，輸入偏置恰好相反，為-400μV。在使用直流耦合時(shí)，把輸入降至極低，必需將該自動(dòng)回路禁止，而剩余輸入偏置采用手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行消除。

    正常工作時(shí)，使用交流耦合的輸入信號(hào)，引腳OFS應(yīng)保持開路，任何剩余的輸入偏置電壓都由反饋回路自動(dòng)凋零。器件禁止時(shí)gm單元關(guān)斷，任何輸出偏置(級(jí)聯(lián)放大器的末端檢測(cè))都轉(zhuǎn)換成電流，這個(gè)電流給片上電容CHP和GOFS外接電容充電。于是產(chǎn)生誤差電壓，該電壓反饋到輸入級(jí)，使輸出偏置降到零。從小信號(hào)來說，該反饋改變放大器的響應(yīng)，在交流轉(zhuǎn)換功能上等效為零，閉環(huán)高通轉(zhuǎn)折頻率約700 kHz。
    偏置反饋限制在±400μV范嗣內(nèi)，大于該范圍的信號(hào)取代偏置控制回路，其回路僅影響非常小的信號(hào)。一只外接電容器使高通轉(zhuǎn)折頻率降至任意低，采用一只1μF的電容器可使轉(zhuǎn)折頻率低于10 Hz。
1．4 輸出接口
    9個(gè)檢波器輸出差分形式的電流，其平均值等于信號(hào)輸入電平加上2倍的輸入信號(hào)頻率波動(dòng)，該電流為圖5中的LGP和LGM節(jié)點(diǎn)之和。這些電流在節(jié)點(diǎn)處相加，通過微弱增高零輸入時(shí)的輸出定位對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并提供溫度補(bǔ)償。由于AD8307不是激光修正的，因此對(duì)數(shù)斜率和對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)都存在可調(diào)節(jié)的小誤差。

    在無信號(hào)輸入時(shí)，所有檢波器輸出電流均相等。而對(duì)于有極性輸入信號(hào)，其差分值由輸出接口電路轉(zhuǎn)換成單極性電流，并由引腳OUT輸出。片上12．5 kΩ的電阻R1將此電流轉(zhuǎn)換成25 mV／dB的電壓。C1和C2與R1形成低通濾波器，轉(zhuǎn)折頻率約5 MHz。該低通濾波器在射頻應(yīng)用中起到平滑濾波作用。在10．7 MHz的2倍頻紋波是12．5 mV(相當(dāng)于±0．5 dB振幅)，在50 MHz時(shí)僅0．5 mV(±0．02 dB)。在引腳0UT對(duì)地接
一只濾波電容CFLT降低轉(zhuǎn)折頻率，采用1μF電容器，則紋波小于±O．5 dB，輸入頻率降至100 Hz。而在低頻應(yīng)用時(shí)COFS的容值應(yīng)與CFLT相等。
    由于提高輸出響應(yīng)速度的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致紋波增加，因此在引腳OUT到地之間并聯(lián)一只負(fù)載電阻，以提高低通轉(zhuǎn)折頻率，同時(shí)改變對(duì)數(shù)斜率，50 MHz輸入信號(hào)的紋波振幅保持在0．5 mV，則等效于±O．07 dB。如果無負(fù)電源，則引腳OUT應(yīng)直接連接至外部運(yùn)算放大器的相加點(diǎn)，該運(yùn)算放大器則為反相的阻抗變換級(jí)。

2 AD8307的應(yīng)用設(shè)計(jì)
    AD8307具有非常高的增益和從DC到l GHz的帶寬，此頻率下增益仍超過60 dB。因此AD8307對(duì)于該寬范圍內(nèi)的信號(hào)都非常敏感，這些信號(hào)可能進(jìn)入輸入端。重要的是，這些信號(hào)難以與有用信號(hào)區(qū)分開，而且將提高噪聲基線。
2．1 超聲電路接收設(shè)計(jì)
    AD8307可在超聲波測(cè)量電路中用于檢測(cè)回波信號(hào)，利用AD8307的大動(dòng)態(tài)范圍可檢測(cè)56μV的微弱信號(hào)和2．2 V的大信號(hào)。如圖6所示，采用單端輸入，包括對(duì)數(shù)零點(diǎn)和斜率調(diào)節(jié)電路，將對(duì)數(shù)零點(diǎn)設(shè)在-84 dBm，設(shè)定斜率約20 mV／dB。

    對(duì)數(shù)放大器后加一級(jí)緩沖(AD8031)，可使接收模塊輸出低阻抗，提高抗干擾能力，并通過這一級(jí)的電壓增益將對(duì)數(shù)斜率恢復(fù)至25 mV／dB。設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)放大器信號(hào)輸入范圍為-72～+10dBm，相應(yīng)的對(duì)數(shù)輸出電壓為0．3-2．35 V，對(duì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍82 dB。
    采用信號(hào)發(fā)生器(正弦波頻率固定，50 Ω功率輸出)串聯(lián)一精密步進(jìn)衰減器作為信號(hào)源，使用數(shù)字萬用表或示波器測(cè)量電壓，用-64 dBm信號(hào)調(diào)零點(diǎn)(Rw1)，使對(duì)數(shù)輸出電壓為500nV；采用OdBm信號(hào)調(diào)斜率(Rw2)，使得對(duì)數(shù)輸出電壓為2 100 mV，如此反復(fù)多次即可調(diào)整完畢。調(diào)整后還可用于-72～+10 dBm范圍內(nèi)其他電平的信號(hào)檢驗(yàn)對(duì)數(shù)一致性精度。
2．2 抗干擾設(shè)計(jì)
    在設(shè)計(jì)電路板時(shí)應(yīng)采取有效屏蔽措施，防止干擾。使用一接地覆銅面，使得各處引腳COM對(duì)地具有相對(duì)低的阻抗，引腳VPS和信號(hào)輸出地有耦合電容。但是接地也不是等電位的，兩輸入端不應(yīng)直接交流耦合到接地，而應(yīng)與接地保持隔離，返回至信號(hào)源地端連接。這就需把輸入連接器的地端隔離，采用一只小的電阻接地。將該電路封裝在屏蔽罩中。所有引線(地線和輸出信號(hào)線除外)均通過穿心電容引出，穿心電容的外極接地可以提高屏蔽效果。

3 結(jié)束語
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲波接收模塊動(dòng)態(tài)范圍達(dá)82 dB，輸出電壓斜率為25 mV／dB，抗干擾性能強(qiáng)。該模塊還可以用于測(cè)量其他大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)，例如脈沖信號(hào)中頻放大、網(wǎng)絡(luò)和頻譜分析、天線功率測(cè)量、接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)、雷達(dá)和聲納信號(hào)處理等。