集成運放的非線性失真分析及電路應用

集成運放的非線性失真分析及電路應用

網絡 發表於 2011-01-18 20:49:00

       0 引言

　　運算放大器廣泛應用在各種電路中，不僅可以實現加法和乘法等線性運算電路功能，而且還能構成限幅電路和函數發生電路等非線性電路，不同的連接方式就能實現不同的電路功能。集成運放將運算放大器和一些外圍電路集成在一塊矽片上，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，適合應用在移動通信和數碼產品等便攜設備中。

　　線性特性是考查具有放大功能的集成運放和接收射頻前端電路的一個重要參數，並且線性範圍對集成運放的連接方式也有很大影響。集成運放的線性範圍太小，就會造成輸出信號產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。基於集成運放的非線性分析，可以發現造成電路非線性失真的原因，並且在不改變電路設計的前提下，通過改變集成運放的連接方式，達到實現集成運放正常工作的目的。本文設計優化的集成運放電路應用於定位系統射頻前端電路，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生，實現射頻接收前端電路的高增益，提高對後端電路設計部分的驅動能力。

　　l 差分電路的接入方法和集成運放的非線性參數

　　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；偏置電路可以採用單電源和雙電源兩種供電方式。在移動通信或便攜設備中，一般採用單電源供電方式，單電源供電的集成運放要求輸入信號採用單極性形式，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，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係到其非線性特性的重要指標。由於集成運放的輸出級電晶體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，輸出信號就會出現失真，表現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；對於3．3 V單電源供電的集成運放，其最大共模輸入電壓範圍非常小，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的電路應用

　　在接收機射頻前端電路中，現代混頻器內部集成了運算放大器的功能，但是內部集成的運算放大器輸出阻抗較高，使得混頻器後端負載的驅動能力不強，同時電壓增益也容易受到負載阻抗變化的影響。為了實現接收機能夠接收大動態範圍的信號，射頻前端採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採樣的最低門限。集成運放AD8062具有很高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，能夠保證下變頻後信號的高效傳輸，並且能夠有效提高負載的驅動能力。為了滿足整個電路系統的增益設計要求，接收前端對下變頻後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。共模輸入電壓範圍也較大，能夠在低電源電壓供電電路中使用；輸出端採用軌對軌(Rail to Rail)反饋放大器方式，擴展了輸出電壓範圍，更加方便了AD8062的使用。相比於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，適合應用在擴頻通信電路中。

　　2．2 AD8062電路實現和應用

　　在下面的電路設計中，AD8062採用單電源3．3 V供電方式，輸入端使用的是I／Q兩路正交信號，用於測試的輸入信號是單頻信號，輸入信號功率範圍為-28～-12 dBm，信道帶寬5 MHz。集成運放的電路設計應用在ISM頻段定位系統的接收射頻前端電路，在AD8347對I／Q正交射頻信號下變頻後，對基帶信號進行放大輸出。AD8062差分放大採用的是雙端輸入單端輸出的方式，I／Q兩路雙極性信號經集成運放合併後傳輸給A／D變換器進行採樣。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。最初的設計採用圖1(a)所示的電路連接方式，其中設計的MIMO系統接收射頻前端曾有應用，在MIMO系統中採用的是單電源5 V供電方式，輸入信號頻率範圍為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於-40 dBc，滿足接收機靈敏度和後端A／D採樣的要求。然而，AD8062的連接方式直接用於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於-50 dBc。由圖3可發現，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的嚴重帶內諧波失真，使得後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化

　　在集成運放的非線性參數中，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範圍也會變小，電路連接方式1產生的諧波失真與最大輸入共模電壓有很大的關係。A-D8062允許輸入信號的最大共模電壓範圍為(-Vs—O．2 V)～(+Vs—1．8 V)，電源電壓越小，AD8062的最大共模輸入電壓範圍越小，若超出這個最大範圍，晶片就可能被燒毀。另外，關係到集成運放非線性參數的共模輸入電壓範圍還要小於上述範圍。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範圍為-5．2～+3．2 V，然而在單電源3．3 V供電的電路中，該範圍為-3．5～+1．5 V。電源電壓的減少，使得AD8062的最大輸入共模電壓範圍有所減少，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範圍時，集成運放的靜態工作點發生了較大偏移，差分對管中的一管輸出電流趨於飽和，另外一管的輸出電流趨於截止，兩管的輸出電流之差不再跟隨輸入信號發生變化，而表現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範圍。為了解決共模電壓過大的問題，對上述電路進行優化設計，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工作點的較大線性範圍，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。在設計的ISM頻段定位系統時，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，優化電路的集成運放增益大於11 dB，並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，由於共模輸入電壓的減小，使得AD8062能夠工作在線性範圍，各次諧波功率均小於-45 dBc，輸出信號功率也有了4 dB提高。優化電路成功地完成了在射頻接收前端的試驗測試，能夠為後端電路檢測信號提供較大的信號功率。而滿足A／D採樣門限要求。

　　同時，在ISM頻段定位系統整體測試中，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據。在試驗調試中發現，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。在設計的定位系統射頻前端電路中，採用正交下變頻器AD8347的I／Q兩路信號輸出功率偏差較小，AD8062能夠滿足設計要求。

　　3 結語

　　通過對集成運放連接電路的非線性分析，找到了AD8062產生諧波失真的原因，並且優化設計了新的電路連接方式。這種優化電路設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的動態範圍，並且能夠保證接收機在大信號輸入時的諧波失真小於-50 dBc。在ISM頻段定位系統的設計中，優化設計電路輸出信號信噪比和功率大小均能滿足A／D的採樣要求，能夠為後端定位檢測算法提供相關數據。在不同條件和不同電路的設計系統中。集成運放的應用同樣會出現非線性失真問題，上述集成運放的非線性分析方法具有一定的參考價值。

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