0 引言
運算放大器廣泛應(yīng)用在各種電路中,，不僅可以實現(xiàn)加法和乘法等線性運算電路功能,，而且還能構(gòu)成限幅電路和函數(shù)發(fā)生電路等非線性電路,，不同的連接方式就能實現(xiàn)不同的電路功能,。集成運放" style="color: blue; text-decoration: underline" title="運放">運放將運算放大器和一些外圍電路集成在一塊硅片上,，組合成了具有特定功能的電子電路。集成運放體積小,，使用方便靈活,，適合應(yīng)用在移動通信和數(shù)碼產(chǎn)品等便攜設(shè)備中。
線性特性是考查具有放大功能的集成運放和接收射頻" style="color: blue; text-decoration: underline" title="射頻">射頻前端電路的一個重要參數(shù),，并且線性范圍對集成運放的連接方式也有很大影響,。集成運放的線性范圍太小，就會造成輸出信號產(chǎn)生多次諧波和較大的諧波功率,，嚴重地影響整個電路的功能,。基于集成運放的非線性分析，可以發(fā)現(xiàn)造成電路非線性失真的原因,，并且在不改變電路設(shè)計的前提下,，通過改變集成運放的連接方式，達到實現(xiàn)集成運放正常工作的目的,。本文設(shè)計優(yōu)化的集成運放電路應(yīng)用于定位系統(tǒng)射頻前端電路,，完成對基帶掃頻信號的放大輸出，能有效抑制了集成運放諧波的產(chǎn)生,，實現(xiàn)射頻接收前端電路的高增益,，提高對后端電路設(shè)計部分的驅(qū)動能力。
l 差分電路的接入方法和集成運放的非線性參數(shù)
通用集成運放電路由：偏置電路,、輸入級,、中間級和輸出級等組成。其輸入級部分由差分電路構(gòu)成,。差分電路有雙端輸入和單端輸入兩種信號輸入方法,；偏置電路可以采用單電源和雙電源兩種供電方式。在移動通信或便攜設(shè)備中,，一般采用單電源供電方式,，單電源供電的集成運放要求輸入信號采用單極性形式，即輸入信號始終是正值或是負值,，差分輸入級可以用來保證輸入中間級電路的信號極性,，同時差分輸入級放大電路可以有效抑制共模信號，增強集成運放的共模抑制比,。但是,，當共模輸入信號較大時，差分對管就會進入非線性工作狀態(tài),，放大器將失去共模抑制能力,，嚴重影響到集成運放的共模抑制比。
集成運放的非線性特性參數(shù)除了最大共模輸入電壓外,，輸出電壓,、輸出電流、最大輸出壓擺率和最大輸入壓擺率等也是關(guān)系到其非線性特性的重要指標,。由于集成運放的輸出級晶體管存在一定的飽和壓降,，其最大輸出電壓都要比電源電壓小1～2 V，甚至更小,。壓擺率就是電壓的轉(zhuǎn)換速率,，是集成運放在大信號和高頻信號工作時的一項重要指標。壓擺率越高,，集成運放的電壓反應(yīng)速度越快,，越能保證運放在更高頻率下工作,；相反，如果壓擺率太低,，運放的輸出電壓無法即時地跟隨階躍輸入電壓的變化,，輸出信號就會出現(xiàn)失真，表現(xiàn)出集成運放的非線性特性,。無論單電源供電,，還是正負電源供電，集成運放的最大共模電壓一般比電源正,、負電壓各低2 v左右,；對于3．3 V單電源供電的集成運放，其最大共模輸入電壓范圍非常小,，所以集成運放在使用低電源供電的情況下,，一定要考慮輸入共模信號的影響。
2 雙端輸入集成運放AD8062" style="color: blue; text-decoration: underline" title="AD8062">AD8062的電路應(yīng)用
在接收機射頻前端電路中,，現(xiàn)代混頻器內(nèi)部集成了運算放大器的功能,，但是內(nèi)部集成的運算放大器輸出阻抗較高，使得混頻器后端負載的驅(qū)動能力不強,，同時電壓增益也容易受到負載阻抗變化的影響。為了實現(xiàn)接收機能夠接收大動態(tài)范圍的信號,，射頻前端采用了增益控制放大電路,；同時，考慮到接收機高靈敏度的要求,，使用固定增益集成運放對微弱信號進行再放大,，以保證接收到的信號達到A/D采樣的最低門限。集成運放AD8062具有很高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗,，能夠保證下變頻后信號的高效傳輸,，并且能夠有效提高負載的驅(qū)動能力。為了滿足整個電路系統(tǒng)的增益設(shè)計要求,，接收前端對下變頻后的基帶信號進行放大便顯得尤為必要,。
2．1 AD8062主要性能介紹
輸出電壓擺動為6 mV；3 dB帶寬為500 MHz,；電壓擺率為800 V／μs,；差分放大相位誤差為O．04°；電源電壓為2．7～8 V,。AD8062是雙集成運算放大器,，可以同時對兩路信號進行放大輸出。共模輸入電壓范圍也較大,，能夠在低電源電壓供電電路中使用,；輸出端采用軌對軌(Rail to Rail)反饋放大器方式，擴展了輸出電壓范圍，更加方便了AD8062的使用,。相比于同類型電流反饋放大器,，AD8062具有較寬的信號輸入帶寬和較高的壓擺率特性，適合應(yīng)用在擴頻通信電路中,。
2．2 AD8062電路實現(xiàn)和應(yīng)用
在下面的電路設(shè)計中,，AD8062采用單電源3．3 V供電方式，輸入端使用的是I／Q兩路正交信號,，用于測試的輸入信號是單頻信號,，輸入信號功率范圍為-28～-12 dBm，信道帶寬5 MHz,。集成運放的電路設(shè)計應(yīng)用在ISM" style="color: blue; text-decoration: underline" title="ISM">ISM頻段定位系統(tǒng)的接收射頻前端電路,，在AD8347對I／Q正交射頻信號下變頻后，對基帶信號進行放大輸出,。AD8062差分放大采用的是雙端輸入單端輸出的方式,，I／Q兩路雙極性信號經(jīng)集成運放合并后傳輸給A／D變換器進行采樣。當接收信號為跳頻信號時,，AD8062電壓的變化速率很快,，能夠即時跟隨階躍電壓的變化。最初的設(shè)計采用圖1(a)所示的電路連接方式,，其中設(shè)計的MIMO系統(tǒng)接收射頻前端曾有應(yīng)用,，在MIMO系統(tǒng)中采用的是單電源5 V供電方式，輸入信號頻率范圍為0～5 MHz,，功率為-12 dBm,。上述條件下，放大器的功率增益為11 dB,，信號輸出的諧波失真小于-40 dBc,，滿足接收機靈敏度和后端A／D采樣的要求。然而,，AD8062的連接方式直接用于3．3 V單電源,，當輸入信號頻率為1 MHz時，電路的輸出特性如圖2和圖3所示,。
AD8062的差分放大電路連接方式1,，集成運放I／Q兩路雙極性輸入的電壓信號大小相等，符號相反,，理論上經(jīng)下變頻器輸出的雙極性信號到AD8062的增益(dB)由下式計算得到：
在下變頻器輸出信號為-28 dBm的情況下,，由圖2可以看出AD8062的增益為11 dB左右，信噪比為20 dB左右,，該增益基本滿足理論計算值,。但是,，當下變頻器輸出信號為-12 dBm時，輸入到AD8062信號的各次諧波功率均大于-50 dBc,。由圖3可發(fā)現(xiàn),，在AD8062的大信號輸入時AD8062的非線性特性使得輸出信號嚴重失真，5 MHz信號帶寬內(nèi)二次諧波為-10 dBc,，信號輸出功率不能滿足理論計算值,。AD8062的嚴重帶內(nèi)諧波失真，使得后端無法檢測到有用的信號,，造成了這種電路無法正常使用,。
2．3 AD8062的非線性分析和電路優(yōu)化
在集成運放的非線性參數(shù)中，單頻輸入信號電壓的變化速率很低,，基本不用考慮AD8062的壓擺率特性是造成諧波失真的原因,。考慮到單電源集成運放在電源電壓變小時,，其最大共模輸入電壓范圍也會變小,，電路連接方式1產(chǎn)生的諧波失真與最大輸入共模電壓有很大的關(guān)系。A-D8062允許輸入信號的最大共模電壓范圍為(-Vs—O．2 V)～(+Vs—1．8 V),，電源電壓越小,，AD8062的最大共模輸入電壓范圍越小，若超出這個最大范圍,，芯片就可能被燒毀,。另外，關(guān)系到集成運放非線性參數(shù)的共模輸入電壓范圍還要小于上述范圍,。在單電源5 V電壓供電的電路中，允許輸入信號的最大共模電壓范圍為-5．2～+3．2 V,，然而在單電源3．3 V供電的電路中,，該范圍為-3．5～+1．5 V。電源電壓的減少,，使得AD8062的最大輸入共模電壓范圍有所減少,，這可能是造成集成運放非線性失真的原因。連接方式l的信號輸入端沒有隔直電容,，必然造成集成運放對直流信號的放大,，這就會出現(xiàn)輸出信號的諧波失真。這是因為當直流電壓超出最大輸入共模電壓范圍時,，集成運放的靜態(tài)工作點發(fā)生了較大偏移,，差分對管中的一管輸出電流趨于飽和，另外一管的輸出電流趨于截止,，兩管的輸出電流之差不再跟隨輸入信號發(fā)生變化,，而表現(xiàn)出集成運放的限幅電路特性,，造成集成運放在大信號輸入時輸出信號的非線性失真。由此可以判斷,，在大信號輸入的情況下,，AD-8062的峰值超過了輸入共模電壓范圍。為了解決共模電壓過大的問題,，對上述電路進行優(yōu)化設(shè)計,，即在連接方式2的集成運放的負項輸入端加入隔直電容，其連接如圖1(b)所示,。
AD8062的差分放大電路連接方式2中,，隔直電容可以有效減小輸入到反相端的直流電壓，同時通過交流有用信號,，這樣就減小了集成運放的輸入共模電壓,，保持了差分電路在靜態(tài)工作點的較大線性范圍，差分對管的輸出電流能夠線性跟隨輸入信號變化,。隔直電容的加入除了對低頻信號有些影響外,，輸入集成運放的差模電壓能夠高效傳輸給A／D變換器。在設(shè)計的ISM頻段定位系統(tǒng)時,，使用基帶掃頻信號最低頻率為100 kHz,，這樣就能最大程度地降低隔直電容對低頻信號的影響。優(yōu)化電路的特性頻譜特性如圖4和圖5所示,。
連接方式2與方式1的頻率輸入條件相同,，在輸入單頻信號功率為-28 dBm時，優(yōu)化電路的集成運放增益大于11 dB,，并且對帶外噪聲有了更大的抑制作用,，信噪比也比連接方式1提高了1 dB。在輸入單頻信號功率為-12 dBm時,，由于共模輸入電壓的減小,，使得AD8062能夠工作在線性范圍，各次諧波功率均小于-45 dBc,，輸出信號功率也有了4 dB提高,。優(yōu)化電路成功地完成了在射頻接收前端的試驗測試，能夠為后端電路檢測信號提供較大的信號功率,。而滿足A／D采樣門限要求,。
同時，在ISM頻段定位系統(tǒng)整體測試中,，AD8062的使用能夠使得接收射頻前端達到接收機靈敏度的要求,，信號處理部分能夠正確捕獲定位數(shù)據(jù)。在試驗調(diào)試中發(fā)現(xiàn),，雙集成運放AD8062的I／Q兩路輸入信號功率不能有太大的偏差,，否則,，電路不能正常工作。在設(shè)計的定位系統(tǒng)射頻前端電路中,，采用正交下變頻器AD8347的I／Q兩路信號輸出功率偏差較小,，AD8062能夠滿足設(shè)計要求。
3 結(jié)語
通過對集成運放連接電路的非線性分析,，找到了AD8062產(chǎn)生諧波失真的原因,，并且優(yōu)化設(shè)計了新的電路連接方式。這種優(yōu)化電路設(shè)計在不改變集成運放增益的前提下,，使接收射頻前端的靈敏度提高了1 dB,，大大提高了整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍，并且能夠保證接收機在大信號輸入時的諧波失真小于-50 dBc,。在ISM頻段定位系統(tǒng)的設(shè)計中,，優(yōu)化設(shè)計電路輸出信號信噪比和功率大小均能滿足A／D的采樣要求，能夠為后端定位檢測算法提供相關(guān)數(shù)據(jù),。在不同條件和不同電路的設(shè)計系統(tǒng)中,。集成運放的應(yīng)用同樣會出現(xiàn)非線性失真問題，上述集成運放的非線性分析方法具有一定的參考價值,。