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AD630是一种高精度平衡调制器

时间:2019-11-22, 来源:互联网, 文章类别:元器件知识库

特征

从+100分贝噪声中恢复信号;2 MHz信道带宽45 V/s转换速率;–120分贝串扰@1千赫;引脚可编程闭环增益1和2;0.05%闭环增益精度与匹配;100 V信道偏移电压(AD630BD);提供350 kHz全功率带宽芯片。

产品描述

AD630是一种高精度平衡调制器,它结合了灵活的换向结构和由激光晶片修整薄膜电阻器提供的精度和温度稳定性。其信号处理应用包括均衡调制解调、同步检测、相位检测、正交检测、相位敏感检测、锁相放大和方波乘法。车载应用电阻网络提供精度为±1和±2的闭环增益,精度为0.05%(AD630B)。这些电阻器还可用于精确配置+1、+2、+3或+4的多路复用器增益。或者,可以使用外部反馈,使得设计者能够实现自己的高增益或复杂的交换反馈拓扑。

AD630可以被认为是具有两个独立差分输入级的精密运算放大器和用于选择有源前端的精密比较器。该比较器的快速响应时间加上线性放大器的高转换率和快速调整,使开关失真最小化。此外,AD630在10 kHz时具有极低的信道间串扰–100 dB。

AD630用于需要宽动态范围的精密信号处理和仪表应用。当在锁定放大器配置中用作同步解调器时,它可以从100分贝的干扰噪声中恢复小信号(参见锁定放大器应用)。尽管优化后的工作频率高达1千赫,电路是有用的频率高达几百千赫。

AD630的其他特性包括引脚可编程频率补偿、可选的输入偏置电流补偿电阻器、共模和差分偏置电压调整,以及一个通道状态输出,该输出指示两个中的哪一个

差分输入激活。该装置现在可用于编号为5962-8980701RA和5962-89807012A的标准军用图纸(DESC)。

产品亮点

1、AD630的结构使其非常适合信号处理应用,例如:平衡调制和解调、锁定放大、相位检测和方波乘法。

2、AD630的应用灵活性使它成为许多需要精确固定增益、开关增益、多路复用、集成开关功能和高速精密放大的应用的最佳选择。

3、AD630的100分贝动态范围超过任何混合或IC平衡调制器/解调器,与昂贵的信号处理仪器相当。

4、AD630的运算放大器格式确保了高增益或复杂的开关反馈功能的容易实现。应用电阻有助于实现最常见的应用,而无需额外的部件。

5、AD630可以用作增益为+1、+2、+3或+4的双通道多路复用器。在10 kHz时,100分贝的信道间隔接近空IC封装可达到的极限。

6、AD630具有引脚可捆扎频率补偿(不需要外部电容器),以便在单位增益下稳定工作,而不牺牲较高增益下的动态性能。

7、在大多数情况下,比较器的激光微调和放大通道偏移限制了外部零位的需要。

芯片可用性

AD630可提供激光修剪,钝化芯片形式。此图显示AD630金属化模式、焊盘和尺寸。提供AD630芯片,详情请咨询工厂。

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典型性能特征

沉降特性阶跃响应

看AD630的两种方法

AD630的功能框图(见第1页)也显示了内部功能的引脚连接。另一个架构图如图10所示。在此图中,单个A和B通道前置放大器、开关和积分器输出放大器组合在一个运算放大器中。这个放大器有两个差分输入通道,一次只有一个是激活的。

AD630的工作原理

AD630的基本操作模式可以更容易地识别为两个固定增益级,可以在敏感电压比较器的控制下插入到信号路径中。当电路在反向和非反向增益之间切换时,它提供基本的调制/解调功能。AD630的独特之处在于,它在单片芯片上包括激光晶圆修整的薄膜反馈电阻。图11所示的配置产生±2的增益,并且可以通过将RB从其接地连接移动到输出很容易地改变为±1。

比较器选择两个输入级中的一个来完成围绕AD630的操作反馈连接。取消选择的输入处于关闭状态,对操作的影响可以忽略不计。

当选择通道B时,如图12中的反向增益配置图所示,连接电阻器RA和RF以进行反向反馈。该放大器具有足够的环路增益,以减小反馈连接产生的虚地RB的负载效应。当比较器输入的符号反转时,输入B将被取消选择,A将被选择。新的等效电路将是如下所示的非垂直增益配置。在这种情况下,RA将出现在运放输入端子上,但由于放大器驱动该差分电压为零,因此闭环增益不受影响。

当RF/RA=1+RF/RB时,两个闭环增益幅值相等,这是由于RA等于RFRB/(RF+RB)RF和RB的并联等效电阻。

AD630芯片上的5k和两个10k电阻可用于产生两个增益,如图所示。通过并联10k电阻器使RF等于5k并省略RB,电路可编程为增益±1(如图18a所示)。这些和其他使用片上电阻器的配置以2.5k源阻抗呈现反向输入。更完整的AD630图显示了2.5k电阻可用于非垂直输入,可方便地用于减少由输入偏置电流引起的误差。

电路说明

AD630的简化示意图如图14所示。它分为三个主要部分:比较器、两个输入级和输出积分器。比较器由Q52和Q53组成的前端、Q3和Q4形成的触发器负载、Q28、Q29和Q30、Q31两个电流控制开关单元组成。这种结构的设计使得应用于比较器输入的差动输入电压大于1.5mv时,将完全选择一个开关单元。这个输入电压的符号决定了选择哪一个开关单元。

每个开关单元的收集器连接到输入跨导级。选定的单元将偏置电流i22和i23传送到它控制的输入级,使其变为活动状态。取消选择的单元格阻止了对其输入阶段的偏移,因此,该阶段保持关闭状态。

跨导级的结构使得它们在输入端呈现高阻抗,并且在取消选择时不产生偏置电流。取消选择的输入不干扰所选输入的操作以确保最大信道分离。

输入结构的另一个特点是提高了电路的转换速率。有源级的电流输出与差动输入电压呈准双曲正弦关系。这意味着,输入电压越大,这个阶段就越难驱动输出积分器,因此,输出信号移动得越快。此功能有助于确保在反向和非反向闭环配置之间切换时快速、对称地解决问题。

AD630的输出部分包括电流镜负载(Q24和Q25)、积分器电压增益级(Q32)和互补输出缓冲器(Q44和Q74)。两个跨导级的输出与电流镜并联。由于取消选择的输入级不会产生输出电流,并且在其输出端呈现高阻抗,因此不存在冲突。电流镜将来自有源输入跨导放大器的差分输出电流转换为输出积分器的单端形式。互补输出驱动器然后缓冲积分器输出产生低阻抗输出。

其他增益配置

许多应用需要除±1和自包含应用电阻器提供的±2。AD630可以通过选择RB和RF在很宽的正负增益范围内使用三个外部电阻轻松编程,以获得1+RF/RB的非反转增益,随后的RA可提供所需的反转增益。注意,当反转幅度等于非反转幅度时,RA的值为RB RF/(RB+RF)。也就是说,RA应该等于RB和RF的并行组合,以匹配正增益和负增益。

AD630的反馈合成还可以包括无功阻抗。如果A阻抗等于B和F阻抗的并联组合,则增益幅值将匹配所有频率。基本上,与传统运算放大器反馈电路相同的考虑适用于AD630。事实上,任何可以通过简单的非交换“L网络”反馈实现的功能都可以与AD630一起使用。图15显示了一种常见的配置。该电路的低频增益为10。响应在频率f 1/(2π100 kΩC)处有一个极点(–3 dB),在该频率的10倍处有一个零点(从高频渐近线看为3 dB)。与每个电容串联的2k电阻器减轻了驱动该电路的电路的负载效应,消除了稳定性问题,并对极零点位置有轻微影响。

作为无功反馈的结果,开关量输入信号的高频分量将以单位增益传输。

AD630具有外部反馈,同时低频分量将被放大。这种配置在解调器和锁定放大器中很有用。当调制或干扰实质上大于期望信号幅度时,它增加电路动态范围。输出信号将包含期望信号乘以开关信号和干扰器的低频增益(对于大反馈比,低频增益可以是几百-

开关输入阻抗

非转换操作模式为高输入阻抗配置,而逆变模式为低输入阻抗配置。这意味着,当在比较器的控制下切换增益时,电路的输入阻抗发生突变。如果在输入信号不为零的情况下切换增益(在许多实际情况下是这样),则瞬态将被传送到驱动AD630的电路。在大多数应用中,这将要求AD630电路由在高频下保持“刚性”的低阻抗源驱动。通常这是一个宽带缓冲放大器。

频率补偿

AD630结合了内部频率补偿的方便性和外部补偿的灵活性,通过一个可选的自包含补偿电容器。

在增益为±2的应用中,为了稳定起见,必须处理的噪声增益实际上是4。在这种情况下,环路的相位裕度将在60°左右,无需选择补偿。该条件为闭环增益为2μm以上提供了最大带宽和转换速率。

当AD630用作多路复用器时,或在一个或两个输入连接用于单位增益反馈的其他配置中,相位裕度将减小到小于20°。这在以快速回转为首要任务的应用中是可以接受的,但瞬态响应不是最佳的。对于这些应用,可以通过将管脚12连接到管脚13来添加自给补偿电容器。这种连接在一定程度上降低了闭环带宽,提高了相位裕度。

对于中间条件,例如环路衰减为2的增益为±1,补偿的使用应取决于是否必须优化带宽或稳定响应。当AD630驱动电容性负载或当需要保守频率补偿时,也应使用可选补偿。

偏移电压零位

输入级和比较器的偏置电压都经过了预测试,因此仅在要求最苛刻的应用中才需要外部微调。两个输入通道的偏移调整通过差分和共模方案来完成。这有助于在开关增益应用中对系统误差进行微调。当系统输入与0V相连接,比较器上施加开关或载波波形时,输出端将出现低电平方波。差分偏移调整罐可用于使该方波的振幅为零(引脚3和4)。共模偏移调整可用于将剩余直流输出电压(引脚5和6)归零。这些功能应使用10k修剪盆实现,雨刮器直接连接到插脚8,如图18a和18b所示。

通道状态输出

通道状态输出引脚7是参考–VS的开路集电极输出,可用于指示两个输入通道中的哪个通道处于活动状态。当选择通道A时,输出将激活(拉低)。该输出还可用于在比较器周围提供正反馈。这会产生迟滞,从而提高抗噪性。图16显示了如何实现滞后的示例。注意,反馈信号被应用到比较器的反转(–)端以实现正反馈。这是因为开路集电极通道状态输出颠倒了内部比较器的输出意义。

通道状态输出可与TTL输入接口,如图17所示。该电路提供从开路集电极AD630信道状态输出到TTL输入的适当电平移位。

应用:平衡调制器

也许AD630最常用的配置是平衡调制器。应用电阻提供精确的对称增益±1和±2。图18a所示为±1布置,图18b所示为±2布置。这些情况仅在10k反馈电阻器(引脚14)和补偿电容器(引脚12)的连接上有所不同。注意在这些示例中使用2.5 kΩ偏置电流补偿电阻器。这些电阻器在±1增益情况下执行相同的功能。图19展示了AD630在用10 kHz正弦波调制100 kHz方波载波时的性能。结果是双边带抑制载波波形。

这些平衡调制器拓扑接受两个输入,一个应用于放大信道的信号(或调制)输入,一个应用于比较器的参考(或载波)输入。

平衡解调器

如果将双边带抑制的载波波形应用于信号输入并且将载波信号应用于参考输入,则上述平衡调制器拓扑也将充当平衡解调器。这些情况下的输出将是基带调制信号。高阶载流子组件也将出现,可通过低通滤波器移除。此功能的其他名称是同步解调和相位敏感检测。

精密相位比较器

图18a和18b的平衡调制器拓扑也可以用作精密相位比较器。在这种情况下,特定频率的交流波形应用于信号输入,相同频率的波形应用于参考输入。输出的直流电平(通过低通滤波获得)将与输入信号之间的信号幅度和相位差成正比。如果信号振幅保持恒定,则输出可用作相位的直接指示。当这些输入信号90°异相时,它们被称为正交,并且AD630 dc输出将为零。

精密整流器-绝对值

如果输入信号在平衡调制器拓扑中用作其自身参考,则AD630将充当精密整流器。高频性能将优于二极管反馈和运算放大器。没有二极管下降,运算放大器必须“跨越”与整流放大器。

LVDT信号调节器

许多传感器通过调制交流载波来工作。线性可变差动变压器(LVDT)就是这种类型的传感器。输出信号的振幅对应于岩心位移。图20显示了一个精确的同步解调系统,该系统可用于产生对应于LVDT核心位置的直流电压。AD630固有的精度和温度稳定性将解调器漂移降低到二阶效应。

交流电桥

使用直流励磁的电桥电路经常受到热电偶效应、1/f噪声、电子器件中直流漂移和线路噪声拾取所引起的误差的困扰。解决这些问题的一种方法是用交流波形激励电桥,用交流放大器放大电桥输出,并同步解调产生的信号。在同步解调器的输出端,将来自电桥的交流相位和幅度信息恢复为直流信号。低频系统噪声、直流漂移和解调器噪声都混合到载波频率,可以通过低通滤波器去除。在选择滤波器时,电桥的动态响应必须与充分抑制这些剩余载波分量所需的衰减量进行权衡。

图21是使用AD630作为同步解调器的交流电桥系统的示例。示波器照片显示了1兆欧电阻器与电桥的一个支路并联引起的0.05%电桥不平衡的结果。顶部轨迹表示电桥激励,上部中间轨迹表示放大电桥输出,下部中间轨迹表示同步解调器输出,底部轨迹表示滤波直流系统输出。

该系统可以很容易地解决0.5ppm的电桥阻抗变化。这种变化将在低通滤波直流输出中产生3.2mv的变化,远高于RTO漂移和噪声。

锁定放大器应用

锁定放大是一种将窄带小信号与干扰噪声分离的技术。锁定放大器作为检测器和窄带滤波器的组合。当所需信号的频率和相位已知时,在存在大量不相关噪声的情况下可以检测到非常小的信号。

锁定放大器基本上是同步解调器,然后是低通滤波器。锁相放大器性能的一个重要指标是解调器的动态范围。显示AD630动态范围的演示电路的示意图

锁定放大器如图23所示。图24是示波器照片,示出从噪声信号中400 Hz调制的信号的恢复大约为100000倍;动态范围为100分贝。

测试信号是通过用0.1hz正弦波调制400hz载波产生的。例如,由斩波辐射(红外、光学等)探测器产生的信号可能具有类似的低频成分。正弦调制用于图18b,如图24的上轨迹所示。它被衰减了100000倍,标准化为求和放大器的输出B。通过求和放大器将可能表示例如斩波辐射情况中的背景噪声和检测器噪声的噪声信号添加到调制信号中。这个信号是简单的带限的白噪声。图24显示了衰减信号和中心轨迹中的噪声之和。该组合信号使用来自调制器的相位信息进行同步解调,结果使用二极简单滤波器进行低通滤波,该滤波器还为输出提供100的增益。这个恢复的信号是图24的下轨迹。

用于本图的组合调制信号和干扰噪声类似于通常需要锁定放大器进行检测的信号。AD630的精确输入性能提供超过100分贝的信号范围,其动态响应允许其在载波频率高于本例中两个数量级以上的情况下使用。一个更复杂的低通输出滤波器将有助于抑制更宽的带宽干扰。


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