集成運(yùn)放的非線性失真分析及電路應(yīng)用

摘 要:集成運(yùn)放差分放大電路的非線性失真分析，可以用來對(duì)集成運(yùn)放電路特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，抑制帶內(nèi)各次諧波的產(chǎn)生。對(duì)雙集成運(yùn)放AD8062的非線性參數(shù)分析，優(yōu)化其外圍電路的連接方式，減小共模輸入電壓，實(shí)現(xiàn)了集成運(yùn)放的線性輸出。AD8062的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了ISM頻段定位系統(tǒng)接收前端射頻電路增益，有效抑制了各次諧波的產(chǎn)生，輸出信號(hào)幅度滿足后端A/D采樣器的門限要求。

關(guān)鍵詞:集成運(yùn)放; 非線性失真; 共模抑制比; 差分放大電路

中圖分類號(hào):TN925文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)08-0009-03

Nonlinear Distortion Analysis and Application of Integrated Operational Amplifier Circuit

WANG Jun-qi， LIU Xiao-hui， ZOU Xian-bing， LI Xiang-yang

(National Key Laboratory of Communication， University of Electronic Science Technology of China， Chengdu 611731， China)

Abstract: The nonlinear distortion analysis of the integrated operationaldifferential amplifier circuit can be applied to the characteristics optimization of integrated operational amplifier circuits and the rejection of all the harmonics in the band. The linear output of the integrated operational amplifier was realized by the nonlinear parameter analysis of the dual-integrated operational amplifier AD8062， the optimization for the connection mode of its peripheral circuits， and reduction of the common mode input voltage. The optimized AD8062 circuit designation improves the gain of the RF receiver destination in the ISM frequency location system，and its output signal amplitude can exceed the threshold of the A/D converter.

Keywords: integrated operational amplifier; nonlinear distortion; common mode rejection ratio; differential amplifier circuit

0 引 言

運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用在各種電路中，不僅可以實(shí)現(xiàn)加法和乘法等線性運(yùn)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(shí)現(xiàn)不同的電路功能。集成運(yùn)放將運(yùn)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(yùn)放體積小，使用方便靈活，適合應(yīng)用在移動(dòng)通信和數(shù)碼產(chǎn)品等便攜設(shè)備中[1-2]。

線性特性是考查具有放大功能的集成運(yùn)放和接收射頻前端電路的一個(gè)重要參數(shù)，并且線性范圍對(duì)集成運(yùn)放的連接方式也有很大影響。集成運(yùn)放的線性范圍太小，就會(huì)造成輸出信號(hào)產(chǎn)生多次諧波和較大的諧波功率，嚴(yán)重地影響整個(gè)電路的功能。基于集成運(yùn)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(jì)的前提下，通過改變集成運(yùn)放的連接方式，達(dá)到實(shí)現(xiàn)集成運(yùn)放正常工作的目的。本文設(shè)計(jì)優(yōu)化的集成運(yùn)放電路應(yīng)用于定位系統(tǒng)射頻前端電路，完成對(duì)基帶掃頻信號(hào)的放大輸出，能有效抑制了集成運(yùn)放諧波的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)射頻接收前端電路的高增益，提高對(duì)后端電路設(shè)計(jì)部分的驅(qū)動(dòng)能力。

1 差分電路的接入方法和集成運(yùn)放的非線性參數(shù)

通用集成運(yùn)放電路由:偏置電路、輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)等組成。其輸入級(jí)部分由差分電路構(gòu)成[1]。差分電路有雙端輸入和單端輸入兩種信號(hào)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(dòng)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(yùn)放要求輸入信號(hào)采用單極性形式，即輸入信號(hào)始終是正值或是負(fù)值[3]，差分輸入級(jí)可以用來保證輸入中間級(jí)電路的信號(hào)極性，同時(shí)差分輸入級(jí)放大電路可以有效抑制共模信號(hào)，增強(qiáng)集成運(yùn)放的共模抑制比。但是，當(dāng)共模輸入信號(hào)較大時(shí)，差分對(duì)管就會(huì)進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，放大器將失去共模抑制能力，嚴(yán)重影響到集成運(yùn)放的共模抑制比。

集成運(yùn)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(biāo)。由于集成運(yùn)放的輸出級(jí)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[3]。壓擺率就是電壓的轉(zhuǎn)換速率，是集成運(yùn)放在大信號(hào)和高頻信號(hào)工作時(shí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。壓擺率越高，集成運(yùn)放的電壓反應(yīng)速度越快，越能保證運(yùn)放在更高頻率下工作;相反，如果壓擺率太低，運(yùn)放的輸出電壓無法即時(shí)地跟隨階躍輸入電壓的變化，輸出信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)失真，表現(xiàn)出集成運(yùn)放的非線性特性[4]。無論單電源供電，還是正負(fù)電源供電，集成運(yùn)放的最大共模電壓一般比電源正、負(fù)電壓各低2 V左右[3];對(duì)于3.3 V單電源供電的集成運(yùn)放，其最大共模輸入電壓范圍非常小，所以集成運(yùn)放在使用低電源供電的情況下，一定要考慮輸入共模信號(hào)的影響。

2 雙端輸入集成運(yùn)放AD8062的電路應(yīng)用

在接收機(jī)射頻前端電路中，現(xiàn)代混頻器內(nèi)部集成了運(yùn)算放大器的功能，但是內(nèi)部集成的運(yùn)算放大器輸出阻抗較高，使得混頻器后端負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，同時(shí)電壓增益也容易受到負(fù)載阻抗變化的影響。為了實(shí)現(xiàn)接收機(jī)能夠接收大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，射頻前端采用了增益控制放大電路;同時(shí)，考慮到接收機(jī)高靈敏度的要求，使用固定增益集成運(yùn)放對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行再放大，以保證接收到的信號(hào)達(dá)到A/D采樣的最低門限。集成運(yùn)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(hào)的高效傳輸，并且能夠有效提高負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。為了滿足整個(gè)電路系統(tǒng)的增益設(shè)計(jì)要求，接收前端對(duì)下變頻后的基帶信號(hào)進(jìn)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(dòng)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0.04°;電源電壓為2.7～8 V。AD8062是雙集成運(yùn)算放大器，可以同時(shí)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)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(duì)軌(Rail to Rail)反饋放大器方式，擴(kuò)展了輸出電壓范圍，更加方便了AD8062的使用[5]。相比于同類型電流反饋放大器，AD8062具有較寬的信號(hào)輸入帶寬和較高的壓擺率特性，適合應(yīng)用在擴(kuò)頻通信電路中。

2.2 AD8062電路實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

在下面的電路設(shè)計(jì)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(hào)，用于測試的輸入信號(hào)是單頻信號(hào)，輸入信號(hào)功率范圍為-28～-12 dBm，信道帶寬5 MHz。集成運(yùn)放的電路設(shè)計(jì)應(yīng)用在ISM頻段定位系統(tǒng)的接收射頻前端電路，在AD8347對(duì)I/Q正交射頻信號(hào)下變頻后，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)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(hào)經(jīng)集成運(yùn)放合并后傳輸給A/D變換器進(jìn)行采樣。當(dāng)接收信號(hào)為跳頻信號(hào)時(shí)， AD8062電壓的變化速率很快，能夠即時(shí)跟隨階躍電壓的變化。最初的設(shè)計(jì)采用圖1(a)所示的電路連接方式，其中設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)輸出的諧波失真小于-40 dBc，滿足接收機(jī)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(dāng)輸入信號(hào)頻率為1 MHz時(shí)，電路的輸出特性如圖2和圖3所示。

圖1 AD8062差分放大電路連接方式

圖2 連接方式1在大信號(hào)輸入時(shí)AD8062的輸出頻譜

AD8062的差分放大電路連接方式1，集成運(yùn)放I/Q兩路雙極性輸入的電壓信號(hào)大小相等，符號(hào)相反，理論上經(jīng)下變頻器輸出的雙極性信號(hào)到AD8062的增益(dB)由下式計(jì)算得到[6]:



Gain=20logR1+R2R3+R4R4R1+R2R1〗(1)

當(dāng)R1=R3，R2=R4時(shí)，式(1)可化簡為:



Gain=20log(R2/R1)+6(2)

在下變頻器輸出信號(hào)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(jì)算值。但是，當(dāng)下變頻器輸出信號(hào)為-12 dBm時(shí)，輸入到AD8062信號(hào)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(hào)輸入時(shí)AD8062的非線性特性使得輸出信號(hào)嚴(yán)重失真，5 MHz信號(hào)帶寬內(nèi)二次諧波為-10 dBc，信號(hào)輸出功率不能滿足理論計(jì)算值。AD8062的嚴(yán)重帶內(nèi)諧波失真，使得后端無法檢測到有用的信號(hào)，造成了這種電路無法正常使用。

圖3 連接方式1在大信號(hào)輸入時(shí)AD8062的輸出頻譜

2.3 AD8062的非線性分析和電路優(yōu)化

在集成運(yùn)放的非線性參數(shù)中，單頻輸入信號(hào)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(yùn)放在電源電壓變小時(shí)，其最大共模輸入電壓范圍也會(huì)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。AD8062允許輸入信號(hào)的最大共模電壓范圍為(-Vs-0.2 V)~(+Vs-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(gè)最大范圍，芯片就可能被燒毀。另外，關(guān)系到集成運(yùn)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(hào)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(yùn)放非線性失真的原因。連接方式1 的信號(hào)輸入端沒有隔直電容，必然造成集成運(yùn)放對(duì)直流信號(hào)的放大，這就會(huì)出現(xiàn)輸出信號(hào)的諧波失真。這是因?yàn)楫?dāng)直流電壓超出最大輸入共模電壓范圍時(shí)，集成運(yùn)放的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生了較大偏移[7]，差分對(duì)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(hào)發(fā)生變化，而表現(xiàn)出集成運(yùn)放的限幅電路特性，造成集成運(yùn)放在大信號(hào)輸入時(shí)輸出信號(hào)的非線性失真[8-9]。由此可以判斷，在大信號(hào)輸入的情況下，AD8062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(duì)上述電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即在連接方式2的集成運(yùn)放的負(fù)項(xiàng)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(shí)通過交流有用信號(hào)，這樣就減小了集成運(yùn)放的輸入共模電壓，保持了差分電路在靜態(tài)工作點(diǎn)的較大線性范圍[10]，差分對(duì)管的輸出電流能夠線性跟隨輸入信號(hào)變化。隔直電容的加入除了對(duì)低頻信號(hào)有些影響外[2]，輸入集成運(yùn)放的差模電壓能夠高效傳輸給A/D變換器。在設(shè)計(jì)的ISM頻段定位系統(tǒng)時(shí)，使用基帶掃頻信號(hào)最低頻率為100 kHz，這樣就能最大程度地降低隔直電容對(duì)低頻信號(hào)的影響。優(yōu)化電路的特性頻譜特性如圖4和圖5所示。

圖4 優(yōu)化電路在小信號(hào)輸入時(shí)AD8062的輸出頻譜

圖5 優(yōu)化電路在大信號(hào)輸入時(shí)AD8062的輸出頻譜

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(hào)功率為-28 dBm時(shí)，優(yōu)化電路的集成運(yùn)放增益大于11 dB，并且對(duì)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(hào)功率為-12 dBm時(shí)，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(hào)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(yàn)測試， 能夠?yàn)楹蠖穗娐窓z測信號(hào)提供較大的信號(hào)功率，而滿足A/D采樣門限要求。

同時(shí)，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(dá)到接收機(jī)靈敏度的要求，信號(hào)處理部分能夠正確捕獲定位數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，雙集成運(yùn)放AD8062的I/Q兩路輸入信號(hào)功率不能有太大的偏差，否則，電路不能正常工作。在設(shè)計(jì)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(hào)輸出功率偏差較小，AD8062能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語

通過對(duì)集成運(yùn)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(jì)了新的電路連接方式。這種優(yōu)化電路設(shè)計(jì)在不改變集成運(yùn)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(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，并且能夠保證接收機(jī)在大信號(hào)輸入時(shí)的諧波失真小于-50 dBc。在ISM頻段定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，優(yōu)化設(shè)計(jì)電路輸出信號(hào)信噪比和功率大小均能滿足A/D的采樣要求，能夠?yàn)楹蠖硕ㄎ粰z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(jì)系統(tǒng)中，集成運(yùn)放的應(yīng)用同樣會(huì)出現(xiàn)非線性失真問題，上述集成運(yùn)放的非線性分析方法具有一定的參考價(jià)值。

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