DC～250,MHz宽带单双端信号变换电路设计

方案选择

以往设计基于宽带的单双端信号变换通常借助于变压器，变压器具备的优势有：能够提供隔离能力，几乎不消耗功率，引入的噪声也微乎其微；但变压器也有劣势：其本质上属于交流耦合器件，阻断了直流信号的传输，其寄生互感引起的带宽内频率响应稳定性通常略差，具有起伏性，而且受负载、匝数比等因素影响，难以提供恒定的输出阻抗。变压器适用于通常的高频宽带信号处理，但不能满足包含直流信号的宽带处理，为此须另求它解，我们考虑采用宽带放大器。

宽带放大器是有源元件，放大器设计电路也各有利弊：需要消耗功率，并会引入噪声，具有动态效应；但放大器更易提供增益及通带平整度，且因输出阻抗与增益无关，能够提供较好的输出驱动能力。

只要频率不是非常高（超过1 GHz），可容忍不太显著的附加噪声时，我们可以选择集成的宽带放大器搭建电路，它兼顾直流信号，并有较好的增益、通带平整度和驱动能力。

2 方案框图设计

ADI公司的AD8138是一款性能优良的集成宽带放大器，具有-3 dB增益及320 MHz带宽，其特有的双极性工艺保证了差分信号放大中的低谐波失真。其内部反馈抑制了外部增益设置电阻不匹配引起的增益误差，使输出增益和相位匹配平衡，抑制了偶数阶谐波。单端输入芯片VOCM引脚的电压可设定1：1的共模输出电平，从而轻松实现电平转换。同时，AD 8138拥有优良的抗失真性能，适合在中频和基带信号链中用作增益模块；具有良好的失调和动态性能，適用作数据采集，信号处理之用[1]。

此解决方案中，采用AD8138作为核心芯片，由±5 V双端电源供电，实现单端DC～250 MHz信号输入，并利用可调共模电压Vcom设置全差分输出信号。方案框图如图1所示。官方推荐电路如图2所示。

包含直流分量的宽带信号以单端形式进入电路模块，经过AD8138驱动为差分对外输出，且差分输出的共模电平可以通过外部直流信号Vcom设置。

3 电路设计与仿真

AD8138在正常工作时采用两个反馈环路，如官方推荐电路图2所示。其中一个反馈环路在内部设定为单位增益，用VOCM输入设置输出为两个差分输出（+OUT和–OUT）的共模电压或平均电压VOUT，cm= （V+ OUT + V– OUT ） / 2，即输出的共模电压VOUT， cm= VOCM。第二个反馈环路与普通运算放大器类似，用于控制差分运算，可通过外部添加无源反馈网络控制传递函数的增益[2]。

3.1 设计电路

易于看出，官方推荐电路不符合单端输入的设计目标，需要对官方推荐电路进行改造，把差分输入修正为单端输入得到我们需要的电路解决设计，设计电路如图3所示。

AD8138为了平衡信号源的50 Ω及其驱动同相输入端的50 Ω端接电阻，两者并联，需要在–IN输入端增加约25 Ω等效平衡电阻[5]，合计约524 Ω。另外，图2中CF起的作用是根据实际电路微调电路的频率响应特性，一般情况下可以忽略。

3.2 电路计算及性能估算

如图3所示，外部输入信号Vin、GND通过R5、R1、R11、R49分别接入到AD8138的差分输入端，AD8138对IN+、IN-两侧的电压差进行放大输出。为了更好的分析电路特性，将外部输入信号Vin、GND分解为共模信号Vc叠加差模信号Vd（一对大小相等，相位差180°的信号）的形式[6]，如图4所示。

Vc =（Vin + GND）/2 = Vin/2（1）

Vd = ±（Vin - GND）/2 = ±Vin/2（2）

根据电路叠加定理[4]，输出信号

Vo= V+OUT–V-OUT = ∑（共模信号放大输出 + 差模信号放大输出）

= 共模放大倍数* 共模信号 + 差模放大倍数×差模信号

= 0* Vc + （RF/RG）×[+Vin/2 – （-Vin/2）]

=（RF/RG）×Vin（3）

电路对单端信号的增益为Gs = Vo/Vin = RF/RG。继而计算可得：

（1）电路单端信号增益Gs

Gs= Vo/Vin = RF/RG= （499+25）/511 ≈1。（4）

（2）等效输入内阻RIN

RIN = 499Ω//49.9Ω≈ 50Ω（5）

（3）等效輸出内阻ROUT。

电路工作在深度负反馈下，近似ROUT = 0+49.9Ω+49.9Ω≈ 100Ω。 （6）

（4）带宽BW。带宽与增益有关，根据手册[2]，理论带宽与差分增益Gdm相关，如图5所示，当前电路的差分增益Gdm=RF/RG≈1时，-3dB带宽近似为360MHz。

（5）噪声系数GN：

可通过用折合到输入端（+IN和–IN）的误差项乘以电路噪声增益来估算差分输出误差（噪声和失调电压）。噪声增益定义为：GN=1+（RF/RG）。当前电路差分增益G≈1，求出GN=2。

3.3 电路仿真

ADI官网提供了免费仿真软件ADI DiffAmpCalc™工具用于设计差分放大器电路，Di¬AmpCalc™是一种交互式设计和参数仿真工具，它使耗时的计算自动化，从而轻松确定增益、终端电阻、功耗、噪声输出及输入共模电压的最佳水平，Di¬AmpCalc通过为工程师提供高效且直观的工具来减少设计风险[3]。

通过设定电路外围电路参数，如图6所示，电路仿真输入单端信号（信号源内阻50欧姆，与匹配电阻50欧姆分压1/2后，AD8138正向输入端得到1V的Vpp正弦波信号Vin，负向输入端接地），输出得到1 V的Vpp正弦波信号，单端信号实际增益为Gs≈1，对信号源Vs增益约为1/2×Gs≈0.5，从而能够验证设计电路可以完成单端信号到双端信号的转换。

4 测试

实际电路实现如图6所示，测试电路如图7所示，测试仪器采用安捷伦射频信号发生器N9310A，安捷伦数字存储示波器DSO7054A（采用探头内阻50 Ω阻抗的测量方式）。

测试方法：输入直流信号～250 MHz不同频率的正弦波信号，将所输出差分信号与理论值相比较，计算误差是否在有效范围之内。根据功率dBm计算公式得出在50 Ω阻抗下，理论上信号发生器在10 dBm的输出波形峰峰值为2 V，示波器实测约为2.1 V。

测试结果：当输入正弦波信号频率为2 V，1 MHz时，输出双端差分信号如图8所示，由于示波器探头采用内阻50欧姆测量方式，实测输出电压为系统输出电压值的一半。采用点测法，同理其余点频测试结果记录见表1。此电路点测法实测结果表明，单端信号转为双端信号在DC～250 MHz宽带范围内保持在-3 dB波动范围内。

5 结语

本文针对DC至很宽频域的单端输入电信号，设计了一种简单实用的单双端变换电路，经过实测，可以满足DC～250 MHz信号的单双端变换，可以为相关设计提供有益的参考。

参考文献

[1] 官网数据手册AD8138： 低失真差分ADC驱动器 （Rev. F） [OL]. http：///media/cn/technical-documentation/data-sheets/AD8138_cn.pdf.

[2] 官网数据手册AN-584： AD813x的运用 （Rev. 0） [OL]. http：///media/cn/technical-documentation/application-notes/AN-584_cn.pdf.

[3] 官网数据手册AN-1404： 利用DiAmpCalc™简化全差分放大器系统设计 （Rev. 0） [OL]. http：///media/cn/technical-documentation/application-notes/AN-1404_cn.pdf.

[4] 邱关源， 罗先觉. 电路： 第5版[M]. 北京： 高等教育出版社， 2015.

[5] 杨建国. 你好， 放大器[M]. 2014.

[6] 康华光. 电子技术基础·模拟部分： 第5版[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.

[7] 童诗白， 华成英. 模拟电子技术基础[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.

The Design of Single-ended to Double-ended Signal Conversion Circuit of DC～250 MHz

HUANG Ming， WANG Can， XU De-ren， DING Zhao-yu

（School of Electronic and Information Engineering， North China University of Technology， Beijing， 100144， China）

Abstract： To propose a design method different from the traditional transformer. By using amplifier which can transmit both broadband and DC signals， broadband and low frequency demands are achieved. The design uses AD8138 differential amplifier to complete a single and double-ended conversion circuit， and then， improves the conversion circuit’s structure， while taking the DC signal and broadband processing into account， to ensure functions including broadband and DC signal’s high-fidelity transmission， amplification， processing operations. The simulation and the measured performance analysis show the circuit meets the DC～250 MHz signal single and double-ended conversion requirements.

Key words： AD8138； Signal Conversion Circuit； Broadband Amplify

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