低功耗DDS波形發生器的實現

這是來自ADI公司模擬對話上的一篇關於DDS波形發生器實現的技術文章，裡面涉及了非常詳細的設計信息，故轉載於此供大家參閱。

電路功能與優勢

圖1所示電路為一款75 MHz低功耗(合計25 mW)直接數字頻率合成(DDS)波形發生器。輸出緩衝器和抗鏡像濾波器提供更好的頻譜性能，適合要求最高18 MHz的正弦波、三角波和方波輸出的頻率生成或時鐘應用。

由於低功耗DDS器件屬於採樣數據器件，因此，其後必須採用合適的抗鏡像濾波器以消除頻譜鏡像。然而，在建議的200 Ω負載下，最大電流輸出大約為4 mA；因此，在DDS輸出端設置一個優化的低功耗、低失真運算放大器緩衝器，可以為高品質50 Ω濾波器提供低阻抗驅動源。

DDS、輸出緩衝器和七階橢圓低通濾波器的組合可帶來高品質的頻譜性能。

圖1. 低功耗波形發生器(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

電路描述

AD9834是一款75 MHz完整的低功耗(20 mW) DDS，旨在提供最高4 mA的真正的互補電流輸出，輸出頻率最高為37.5 MHz。

AD8014是一款高速電流反饋放大器，頻率為400 MHz，帶寬為−3 dB，壓擺率為4000 V/μs，建立時間為24 ns。該器件具有超低電壓噪聲和電流噪聲、低失真等特點。低功耗(5.2 mW @ +4.5 V)、低成本和30 mA電流驅動能力，這使得AD8014成為AD9834輸出的一種頗具吸引力的緩衝器解決方案。對於AD9834，電路工作電壓為+3.3 V，AD8014為+4.5 V。DDS採用SPI接口。該電路由三個模塊組成：DDS模塊、緩衝器模塊和低通濾波器模塊。電路總功耗約為25 mW。

DDS電壓輸出
滿量程調整(FSADJUST)電壓和外部電阻 RSET決定滿量程DAC電流的幅度。FSADJUST的標稱值為1.15 V， RSET 電阻的典型值為6.8 kΩ。

AD9834的滿量程電流如下：

IFULLSCALE = 18 × (FSADJUST/RSET)

該電路採用200 Ω的額定負載和最大滿量程電流，以實現所需電壓輸出而不超過DAC的順從範圍。

IFULLSCALE = 18 × (1.15/6800 Ω) = 3 mA，
VOUT = 3 mA × 200 Ω = 0.6 V

板載兩個電流輸出：IOUT和IOUTB。IOUT未經濾波，IOUTB經過濾波。

緩衝放大器

由於DDS輸出端的電流和電壓順從範圍有限，因而需要一個緩衝器向低通濾波器提供較高的電流驅動能力。另外，緩衝器提供了DDS模塊與濾波器模塊之間的隔離，並將載入的DDS的200 Ω輸出阻抗轉換成驅動端接濾波器所需的50 Ω。在本電路筆記中，低功耗高性能電流反饋運算放大器AD8014用作AD9834的輸出緩衝器。其輸出驅動電流大於等於30 mA。AD8014電流反饋運算放大器中的反饋電阻設定運算放大器的帶寬。AD8014是一種高速電流反饋放大器，頻率為400 MHz，帶寬為−3 dB，壓擺率為4000 V/μs，建立時間為24 ns。

圖2所示為510 Ω的反饋電阻。由於運算放大器採用單極性電源供電，因此，輸出需要以電源電壓中間值為中心，以防止發生削波。A點處的分壓器為正弦信號提供2.25 V的直流失調電壓，得到2.25 V ± 0.3 V的輸出擺幅。

圖2. AD8014輸入和反饋連接

七階橢圓低通濾波器

抗鏡像重構必須對採樣系統內在的鏡像頻率進行衰減處理，如圖1所示。

有四種基本濾波器可以用作重構濾波器：考爾(橢圓)、切比雪夫、巴特沃茲和貝塞爾。圖3展示了這四種基本濾波器的響應曲線。

圖3. 四種基本濾波器的響應曲線

在階數相同的情況下，橢圓濾波器的滾降率比其他三種濾波器高，這使其成為重構濾波器的不錯選擇。本電路筆記中使用的濾波器是一款7階橢圓濾波器，−3 dB帶寬為18 MHz。

器件選擇

用於實現濾波器的電阻、電容和電感均為無源器件，並且受高頻影響，都必須符合以下要求：

• 低寄生電容和電感。

• 低容差值，以使實測響應接近設計響應。

• 寬溫度範圍。

• 小尺寸，以最大限度減少寄生電容和電感。

這些只是確保實測濾波器響應接近仿真濾波器響應的一些標準。

濾波器設計與性能

七階橢圓濾波器如圖4所示，濾波器的仿真和實際頻率響應如圖5所示。使用的軟體是Advances Design System (ADS)，版本為2012.08。

圖4. 七階並聯連接低通濾波器

圖5. 七階橢圓濾波器的仿真和實測頻率響應

實測濾波器響應是用Agilent E5061B網絡分析儀得到的。結果顯示，−3 dB帶寬為18 MHz。受源和負載端接影響，通帶衰減約為6 dB。

為了檢查電路的性能，DDS性能測試時，將AD9834的輸出頻率設為15 MHz，時鐘為75 MSPS。未濾波輸出和濾波輸出分別如圖6和圖7所示。

如圖7所示，圖6未濾波頻譜中出現的幹擾鏡像顯著減少。相對於未濾波輸出，60 MHz下的最高鏡像雜散被抑制了大約52 dB。這相當於濾波器在60 MHz下的實測衰減。

圖6. AD9834的未濾波輸出(15 MHz，在IOUT下測得)

圖7. AD9834的濾波輸出(15 MHz，在IOUTB下測得)

濾波器使AD9834 的600 mV p-p輸出衰減約6 dB，正弦x/x滾降使其再衰減1 dB。因此，進入50 Ω負載的輸出約為268 mV p-p，或94.7 mV rms。這相當於0.179 mW或−7.5 dBm。

本電路必須構建在具有較大面積接地層的多層電路板上。為實現最佳性能，必須採用適當的布局、接地和去耦技術 。

常見變化

DDS的一種替代方案是AD9838。該器件具有功耗低的特點(11 mW)，功能與AD9834相同，但時鐘速率較低，為16 MHz。

本電路筆記中使用的緩衝器是電流反饋放大器AD8014。這種方案的一種替代方案是ADA4860-1。該器件是一款低成本、高速(800 MHz，−3 dB帶寬)、低功耗(22.5 mW @ 5 V)電流反饋運算放大器，但其壓擺率較低，為790 V/μs。

另一種替代方案是ADA4897-1。這是一款單位增益穩定、低寬帶噪聲、軌到軌輸出高速電壓反饋放大器，其輸入電壓噪聲為2.4 nV/√Hz(10 Hz)，無雜散動態範圍(SFDR)為−80 dBc(2 MHz)。

ADA4851-1也可用作緩衝器。這是一款低成本、低功耗、高速(−3 dB帶寬：130 MHz)器件，但其壓擺率要低得多，為375 V/μs。