AD8337可变增益放大器：性能、应用与设计要点

引言

在电子工程师的日常设计工作中，可变增益放大器（VGA）是一个非常重要的组件，它在许多领域都有广泛的应用。今天我们要详细介绍的AD8337，就是一款性能出色的低噪声、单端、线性dB可变增益放大器，下面将从其特性、工作原理、应用场景以及设计要点等方面进行深入探讨。

文件下载：AD8337.pdf

一、AD8337的特性

1. 电气特性

• 低噪声：输入电压噪声为2.2 nV/√Hz，输入电流噪声为4.8 pA/√Hz，在低增益时VGA输出参考噪声约为21 nV/√Hz，这使得它在对噪声要求较高的应用中表现出色。
• 宽带宽：-3 dB小信号带宽可达280 MHz，-3 dB大信号带宽为100 MHz，能够满足高频信号处理的需求。
• 增益范围：标称增益范围为0 dB到24 dB（前置放大器增益为6 dB），增益缩放为19.7 dB/V，可通过调整前置放大器增益来改变整体增益范围。
• 供电灵活：支持+5 V、±2.5 V或±5 V供电，功耗低，在±2.5 V供电时仅为78 mW。

2. 动态性能

• 谐波失真低：在不同频率和增益条件下，谐波失真表现良好，如在1 MHz、VOUT = 1 V p - p、VGAIN = 0 V时，HD2为 - 72 dBc，HD3为 - 66 dBc。
• 输入1 dB压缩点：在不同增益条件下有明确的参数，如VGAIN = - 0.7 V（增益 = 0 dB）时，输入1 dB压缩点为8.2 dBm。

二、工作原理

1. 电路结构

AD8337采用了Analog Devices的独家X - AMP®架构，其电路主要由前置放大器、衰减器、增益控制接口和输出级组成。前置放大器是一个未连接的电流反馈运算放大器，用于缓冲X - AMP的梯形网络衰减器，默认非反相增益为6 dB（2×），增益电阻值为100 Ω。衰减器的衰减范围为 - 24 dB到0 dB，输出级是一个固定增益为18 dB的AB类电压反馈互补射极跟随器。

2. 增益控制

增益控制接口具有高输入阻抗，参考VCOM引脚。在双电源应用中，VCOM连接到地；在单电源应用中，VCOM提供正电源电压的一半。增益控制电压范围为 - 0.7 V到 + 0.7 V，在 - 0.6 V到 + 0.6 V之间增益控制最为线性，增益误差通常小于±0.2 dB。增益缩放因子设计为20 dB/V，可通过在GAIN输入添加简单的低通滤波器来过滤不需要的噪声。

3. 输出特性

输出级的阻抗在高频时呈现感性，为了减轻输出引脚杂散电容的影响，可以在VOUT引脚串联一个小值的缓冲电阻（如20 Ω），这样可以改善动态性能，同时对高阻抗负载的增益损失很小。

三、应用场景

1. 增益调整

由于其低噪声和宽增益范围，AD8337非常适合用于增益调整应用，能够准确地调整信号的增益，满足不同系统的需求。

2. 医疗设备

在PET扫描仪和工业及医疗超声设备中，AD8337的低噪声和良好的动态性能可以保证信号的准确采集和处理，提高设备的性能和精度。

3. 通信系统

在高性能AGC系统、I/Q信号处理、雷达接收器和视频应用中，AD8337能够适应不同的信号强度和频率，提供稳定的增益控制，确保系统的正常运行。

四、设计要点

1. 前置放大器连接

• 非反相增益配置：使用两个表面贴装电阻（如100 Ω）可将前置放大器配置为6 dB增益，将设备设置为默认增益范围0 dB到24 dB。对于前置放大器增益≥2的情况，应选择 (R{FB 2} ≥100 Omega) 和 (R{FB 1} ≤100 Omega) ，但要注意高 (R_{FB 2}) 值会降低带宽并增加失调电压，小值可能会影响稳定性。
• 反相增益配置：适用于需要负脉冲极性反转或需要电流吸收的应用。在这种配置中，要注意电路板布局，将前置放大器增益电阻 (R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 尽可能靠近INPN引脚，以减少杂散电容对稳定性的影响。

2. 驱动容性负载

由于AD8337带宽大，输出引脚的杂散电容会导致频率响应出现峰值和瞬态信号过冲。可以在VOUT引脚串联一个小值的缓冲电阻（如20 Ω）来减轻这些影响，同时在PCB布局时要将连接到AD8337输出引脚的无源组件或设备尽可能靠近封装。

3. 增益控制

在典型应用中，GAIN输入通常为直流或低频信号，AD8337的高输入阻抗允许多个设备并联连接，适用于VGA阵列的校准调整。但要注意，VGAIN输入电压的调制会导致输出出现与失调电压直流曲线相关的交流信号，在高于20 kHz时，可能会由于内部电路公差产生二次伪像。

4. 热管理

AD8337采用LFCSP封装，热性能与传统封装不同。其热阻 (θ{JC}) 假设焊盘焊接到电路板且有三个额外接地层通过至少四个过孔连接，如果焊盘未焊接， (θ{JC}) 几乎会翻倍。此外，通过测量表面温度和功耗，可以使用Ψ值轻松计算芯片温度。

5. 电路板布局

作为高频设备，AD8337的电路板布局至关重要。要确保VCOM引脚有良好的接地平面连接，避免输出到输入通过接地平面的耦合导致高频峰值。

五、总结

AD8337可变增益放大器以其低噪声、宽带宽、灵活的增益控制和多种供电选择等优点，在多个领域都有广泛的应用前景。在设计过程中，电子工程师需要充分考虑其工作原理和特性，合理进行前置放大器连接、处理容性负载、控制增益、管理热量以及优化电路板布局，以充分发挥其性能优势。大家在实际应用中是否遇到过类似放大器的设计挑战呢？欢迎在评论区分享交流。