Analogtipp Signalgenerator-Ausgangsstufe mit CFA und VGA implementieren

Eine preiswerte Ausgangsstufe für einen Signalgenerator lässt sich heute recht einfach bauen. Drei Bausteine bilden in der vorgestellten Schaltung eine komplette Signalgenerator-Ausgangsstufe.

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In der Vergangenheit war bei der Entwicklung eines Signalgenerators die Ausgangsstufe am schwierigsten. Jetzt lässt sich eine kleine und preiswerte Stufe mit einem VGA (Variable-Gain Amplifier) und einem CFA (Current-Feedback Amplifier) implementieren.

Die Schaltung in Bild 1 bietet eine Bandbreite von 20 MHz mit einer Amplitude von 22,4 V (+39 dBm) in eine Last von 50 Ω.

Das Signal, das von einem D/A-Wandler für einen komplexen Signalverlauf oder von einem DDS (Direct-Digital Synthesizer) zum Erzeugen von Sinussignalen kommt, muss in der Regel gedämpft oder verstärkt werden. Ein typischer Signalgenerator bietet einen Ausgangsamplitudenbereich von 25 mV bis 5 V und einen Einstellbereich von 46 dB.

Der VGA AD8338 bietet einen programmierbaren Bereich von 80 dB. Unter idealen Bedingungen könnte sich die Ausgangsamplitude eines klassischen Signalgenerators dann (ohne Relais oder geschaltete Netzwerke) über einen Bereich von 0,5 mV bis 5 V erstrecken. Der komplette Bereich wäre kontinuierlich einstellbar und frei von Diskontinuitäten wie sie bei Schaltern und Relais auftreten. Durch das Einsparen der Relais erhöhen sich die Lebensdauer von Instrumenten und die Systemzuverlässigkeit.

Komplett differenzielle Schnittstelle und „H-Amp“-Topologie

Viele moderne DACs und DDSs haben differenzielle Ausgänge. Mit seiner komplett differenziellen Schnittstelle eignet sich der AD8338 für diese Bausteine. Für eine Anwendung mit Sinussignalen würde man den D/A-Wandler durch einen DDS ersetzen.

Der AD8338 zeichnet sich durch eine flexible Eingangsstufe aus, die die Eingangsströme mit der von Barrie Gilbert erfundenen „H-Amp“-Topologie manipuliert. Diese Schaltung nutzt eine Rückkopplung, um die Symmetrie der Eingangsströme herzustellen. Zugleich bleiben die internen Schaltungsknoten auf 1,5 V. Unter Normalbedingungen und mit den 500-Ω-Eingangswiderständen generiert das Eingangssignal von max. 1,5 V einen Strom von 3 mA. Bei einer größeren Eingangsamplitude, etwa 15 V, würde man einen größeren Widerstand direkt an die Eingangspins anschließen. Dieser Widerstand wird so dimensioniert, dass man den gleichen Strom von 3 mA erhält.

Beim Eingangs-VGA kann sich der gesamte Verstärkungsbereich um verschiedene Einstellpunkte herum befinden. Viele Generatoren bieten lediglich eine maximale Ausgangsleistung von 250 mW_eff (+24 dBm) in eine 50-Ω-Last (Sinusform). Dies reicht für Anwendungen mit höherer Ausgangsleistung nicht aus, wie z.B. beim Testen von HF-Verstärkern oder beim Erzeugen von Ultraschallimpulsen. Dies stellt künftig kein Problem mehr dar. Der ADA4870 kann 1 A bei ±17 V an Versorgungen von ±20 V treiben. Für Sinussignale kann er ein Ausgangssignal von 23 MHz bei Volllast produzieren. Das Bauteil eignet sich damit als Front-End-Treiber für universell einsetzbare arbiträre Signalformgeneratoren der nächsten Generation.

Zur Optimierung des Ausgangssignalhubs ist der ADA4870 für eine Verstärkung von +10 konfiguriert. Die erforderliche Eingangsamplitude beträgt somit 1,6 V. Der ADA4870 hat einen massebezogenen Eingang, der AD8338 einen differenziellen Ausgang. So bietet ein differenzieller Empfangsverstärker AD8130 mit einem Verstärkungs/Bandbreiten-Produkt von 270 MHz und einer Spannungsanstiegsgeschwindigkeit von 1090 V/µs die differenziell/massebezogene Wandlung und die erforderliche Verstärkung. Der Ausgang des AD8338 ist auf ±1,0 V beschränkt. Daher muss der AD8130 eine Zwischenverstärkung von 1,6 V/V bieten. In Kombination bilden die drei Bauteile eine komplette Signalgenerator-Ausgangsstufe.

* David Hunter ist Applikationsingenieur in der Linear Products Group von Analog Devices in Wilmington.

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