AD605的工作原理及单通道功能框图

AD605的工作原理及单通道功能框图

AD605是一种双通道低噪声可变增益放大器。图2给出了AD605放大器中一个通道的功能块图。它的每一个通道都包含一个独立的供电系统X-AMP（即DSX,也就是差分独立供电系统X-AMP）。该系统由一个精确的被动式衰减器(差分阶梯形网络)、一个增益控制模块、一个经由分压电阻R3和R4缓冲的VOCM和一个带有增益调整电阻R1、R2的主动式负反馈放大器（AFA）等四部分组成。

AD605中每个通道的增益范围均可根据接在FBK和OUT之间的电阻阻值的不同来选择-14dB～+34dB或0dB～48dB。其中心的40dB增益以dB呈精确线性,而在增益范围的上限和下限处,增益误差将增大。AD605的增益由增益控制电压（VGN）设置,其VREF输入决定了增益刻度的取值范围。有效的增益刻度范围在20dB/V和40dB/V之间,对应的VREF电压分别为2.5V和1.25V。

由于AD605的两个通道完全相同,下面以通道1来说明其工作原理。在整个集成块中只有VREF和VOCM两个输入端是共享的。由于两个通道共用一个交流地,因此它们之间的串扰可减到最小。如果希望具有精度很高的增益标度,VREF应外接一个输入阻抗较低的电源。对于20dB/V的低灵敏度应用,可以在VREF输入端和地之间接一个去耦电容。在这种模式下,AD605的增益刻度由+VCC和GND的中点值来决定,所以,当增益控制电压为+5V时,控制要特点仔细。VREF端的输入阻抗为10kΩ±20%。

AD605为单电源供电电路,VOCM脚的功能是设置本通道电路的中点直流电平。VOCM的输入电路仅需要一个接地电容来确定电源电压的中点（即+5V和GND之间电压的中点）;然而,如果输出直流电平对用户非常重要的话,VOCM也可以特定设置。VOCM端的输入阻抗为45Ω±20%。

3.1 差分阶梯形网络（衰减器）

位于固定增益放大器前端的衰减器是由一个差分7阶R-1.5R电阻网络实现的,该网络带有一个输入阻抗为175Ω或350Ω的纯电阻单终端。该网络对输入信号的衰减为每阶6.908dB,因此第一阶的衰减为6.908dB,第二阶的衰减为13.816dB,依此类推,直到最后一阶总的衰减量为48.356dB。在两阶电路的接口处采用了特殊的电路技术来保证信号的连续性,从而实现了信号在0～48.36dB范围内的连续衰减。该阶梯网络和其内插装置一起可以认为是一个压近电位器。

由于DSX是一个单电源电路,所以它需要加一定的偏置电压。该偏压可通过节点MID和VOCM缓冲来得到。因为没有内部偏置电压,所以必须加一个外部偏压。该部分电路需要认真设计,否则这个偏置网络会带入额外的噪声和漂移。要实现内部偏压,只需要将信号交流耦合到DSX即可。需要说明的是：当驱动不同时,DSX的输入也是完全不同的。由于+IN和-IN两脚的信号相同但极性相反。因此,在驱动不同时,其终端负载将发生变化。如果每一个输入均是一个单终端设备,则负载阻抗为175Ω,而驱动不同时负载阻抗则为350Ω.如果把这个阶梯形网络看作两个由VOCM缓冲提供偏压的175Ω电阻背对背和中间节点MID相接,那么负载电阻的变化就很容易理解了。如果一个差动信号加在+IN和-IN之间,则流入中间节点MID的电流为零,但是如果一个单终端信号输入到+IN或-IN脚,而其它输入是交流地时,则将会使电流通过中间节点MID流入VOCM缓冲器。

3.2 交流耦合

由于DSX是一个独立的单电源供电电路,所以它需要通过交流耦合来输入共基极接地信号。如图2所示,C1和C2将输入信号转变为直流电压值,该值由VOCM决定（通常为2.5V）。从每个DSX输入（+IN和-IN）看,C1、C2和175Ω电阻组成了一个高通滤波器,其截止频率依赖于C1和C2的容量值。

如果DSX输出需要一个参考地,则可则加另外一个交流耦合电容以进行电平转换。该电容也可以消除DSX产生的任何直流漂移。此时如果接一个500Ω的一般负载和一个0.1μF的耦合电容,则将使-3dB高通截止频率提高大约3.2kHz。

这三个耦合电容都应根据具体的应用来选择,电容的选择应使信号无衰减的通过,同时要限制系统内的低频噪声。

3.3 主动式反馈放大器

要实现单电源操作和DSX的全微分输入,必须采用一个主动式反馈放大器（AFA）。AFA是一个具有两个gm级的基本运算放大器;其中一级用于反馈支路,另一级作为差分输入。值得指出的是,差分输入是一个开环支路,这就要求该支路在所使用的输入信号范围内必须具有很高的线性度。在这个设计中,衰减器上检测电压的gm级是分布式的,gm级的级数和网络上阶梯的数量相同。只有少数gm级是依靠增益控制电压而始终处于开启状态。

由于AFA的一个输入（G1）是全微分的,所以,AFA可以采用差分输入结构。其两个输入端中的一个由一个分布的gm级构成;另一个则（G2）用于反馈。G1的输出可作为高增益放大器（A0）的衰减网络上的传感电压。因为是负反馈,所以高增益放大器的差分输入必须为零,也就是说,G2倍gm2(G2的互导)的差分输入电压必须等于G1倍gm1（G1的互导）的分输入电压。因此,AFA的全功率函数为：

VOUT/VATTEN=(gm1/gm2)(R1R2/R2)

式中,VOUT是输出电压,VATTEN是衰减器上的有效电压,如果（R1+R2）/R2=42,gm1/gm2=1.25,那么全功率为52.5（34.3dB）。

利用AFA可通过改变阶梯网络的输入极性改变输出信号的极性,同时,它的-IN脚可以作为第二个输入使用并完成对DSX的共模电压的独立控制。

通常条件下,最好在VOCM脚接一个去耦电容,此时,DSX的共模电压为电源电压的一半;同时可允许最大信号幅度输入。否则,共模电压将直接由VOCM端的电压来控制调高或者调低。另外,VOCM也可以作为信号输入端,其唯一的局限是VOCM缓冲的回转频率太低。

如果输出信号的直流电平不够,通常需要在DSX的输出端再加一个耦合电容。这样可以有效地消除DSX产生的直流电平漂移（参见交流耦合部分）。

增益范围可以通过接在FBK和OUT之间的电阻来设定。若FBK和OUT直接相连,则增益变化范围为-14dB～+34.4dB;若FBK与OUT断开,那么增益变化范围为0dB～+48.4dB。需要说明的是：在较高的增益范围内,增益每提高14dB,放大器的带宽将减小5～8MHz。