高性能VGA芯片AD8337在信号采集系统中的应用

　　AD8337是美国AD(Analog Devices INC)公司推出的一种高频带宽度、低功耗、采用直流耦合的可变增益放大器。该放大器的增益均可以分贝为单位线性变化，其频率可达100 MHz；带宽(-3 dB)可达250 MHz。AD8337采用AD公司先进的电路技术和X-AMP结构，因而具有优异的增益控制特性，其增益控制范围为0～24 dB，同时，增益控制接口还可提供20 dB／V的线性控制率。

1 AD8337的主要特点

　　AD8337可广泛应用于工业和仪表领域，和同类竞争方案相比，其速度快50％，尺寸小30％。AD8337的VGA能提供极好的直流(DC)和交流(AC)电性能。其的直流和高速特性使AD8337 VGA特别适合于大范围high-channel-count 工业和仪器应用，譬如PET(positron emis-sion tomography)医疗影像、工业超音波、RF(射频)测试仪器、和高性能AGC(自动增益控制)系统。

　　AD8337的主要特点如下：

　　◇低噪声：2.2nV／rtHz；

　　◇低功耗：78 mW；

　　◇器件的频带宽度范围可从低频到250 MHz(-3 dB)；

　　◇额定增益范围：0～24 dB (前置放大器增益为6dB)；

　　◇增益控制率：20 dB／V；

　　◇直流耦合；

　　◇单端输入和输出；

　　◇电源：+5 V，±2.5 V或±5 V；

　　◇工作温度：-40℃～+85％；

　　◇3×3毫米8引脚LFCSP。

2 引脚说明

3 结构原理

　　AD8337的原理电路结构如图2所示。该芯片主要由前置放大器、衰减器、偏置单元、内插器、增益控制接口和输出放大器等部分组成。AD8337可以采用双电源供电和单电源供电两种形式，并可由偏置单元来完成。电源可为+5 V，±2.5 V或±5 V。

　　AD8337的输入级是一个电流反馈前置放大器，可用来缓冲X-AMP的阶梯网络。前置放大器的电压放大倍数可以通过外部电阻来设置，其给定设置是采用R1=R2=100 Ω构成的同相放大器，放大倍数为2(即6 dB)。设计时通过外部电阻的不同配置，前置放大器的放大倍数也可被设置为大于2的其它值。

　　紧跟前置放大器的是衰减器，该电阻网络由每级衰减量为3.01 dB的8级衰减网络组成，总的衰减范围是24.08 dB，每级梯形网络以固定的分贝数衰减输人信号。衰减器后边是固定增益输出放大器(18.06 dB)。由于前置放大器的放大倍数可以通过外部电阻进行设置，所以AD8337的增益可根据前置放大的不同便放大倍数发生一些变化，范围为0～+24 dB。

　　AD8337芯片的增益控制接口可以提供高阻抗输入，并以引脚VCOM作为参考。其增益控制电压可在-0.6～+0.6 V范围任意增减。且无增益重叠现象。增益控制率是20 dB／V，其相对较低的值可以保证在GAIN输入端的噪声不会被过度地放大。

4 典型应用

　　在高频模拟数据采集领域和实时显示的控制领域中。经常会出现一些干扰信号，这些干扰信号大都是高频的、大小不定的毛刺。如何将这些干扰测试出来，就需要测试电路有较宽的带宽和对输入进行增益控制。AD8337正是一款通用型VGA放大器，适合于用电压对增益进行控制的应用电路。

　　由于AD8337具有从任意低频到250 MHz的工作带宽，且电路增益与控制电压Vgain成正比；同时，VGA又是一个标准的线性增益结构的X-AMP，具有很好的动态输出范围，所以，笔者在数字示波器信号采集系统的硬件设计中，选取了AD8337来进行系统的前端信号增益调节。其工作过程是：首先由探头采集信号，然后经过必要的增益预处理，再由A／D转换芯片将模拟信号变为数字信号发送到AT89C51中进行处理。

　　在AT89C51单片机的控制下，探头采集到的信号由AD8337进行增益调节，以将其转变为模数转换器可转换的信号。AD8337接成双电源供电的形式，8脚、6脚分别接正、负电源；增益控制端口7脚由AT89C51的P15来控制；2脚接地；探头采集到的模拟输入信号INPUT接AD8337的3脚；4、5脚则构成前置放大器电流反馈，以缓冲X-AMP的阶梯网络。其中：R1=R2=100 Ω构成的同相放大器的放大倍数为2(即6dB)。AD8337的输出端VOUT连接到模数转换器的输入端。

　　由AD8337的结构原理可知，AD8337的可变衰减器的增益范围是24 dB，紧接着它的是18 dB的固定增益放大器，再算上前置放大器的增益6dB，得出总的AD8337增益范围是0～+24 dB。由于AD8337的增益控制率为20 dB／V，所以，在Vgain以伏特(V)为单位时，AD8337的增益运算公式如下：

G_ain(dB)=20V_gainN+I_CPT

　　公式中：Vgain由AT89C51的P15引脚输出决定(在-0.6～+0.6 V的范围内变动)；额定ICPT为12.15dB。如果前置放大器的增益增加，ICPT将相应地增加。如果前置放大器的增益增加6 dB，则ICPT将由6 dB增加到18.15 dB。

　　本设计中的模数转换器采用AD7476，它是一种低功耗12位串行输出模数转换器，由单电源+2.7～+5.25 V供电，具有内置跟踪和保持功能的连续近似寄存器(SAR)架构。本设计通过AT89C51的P10、P11、P12分别连接AD7476的CS、SDATA、SCLK，以控制其模数转换。

5 使用注意事项

　　按照经验，在使用AD8337设计电路时，应注意以下几点：

　　◇设计时，将多个AD8337进行串联可得到更大的增益范围，但在级间应加滤波器来抑制噪声和畸变；

　　◇R2的取值一定不能小于100 Ω，因为R2与内部补偿电容一起确定前置放大器的带宽(-3dB)，如果R2使用一个很小的电阻，就可能使前置放大器工作不稳定；

　　◇R2增大会使前置放大器增益增加，但将使带宽减小；

　　◇由于有DC耦合．增加前置放大器增益将增加偏移量；

　　◇R1增大会导致输入相关噪声增大；

　　◇AD8337具有低输出噪声的优点，可以驱动高速ADCs；

　　◇由于GAIN输入端采用高输入阻抗，因此，在增益控制输入端可以增加一个简单的低通滤波器来抑制干扰信号；

　　◇AD8337高速输出级在驱动大电流容性负载时易受影响；这时，串联一个小电阻可以减少对电容负载的影响；

　　◇AD8337是一个高频器件，因此，电路板布置至关重要。其输出地应该与前置放大器增益设置电阻和VCOM引脚的地相隔离；

　　◇由于增益控制管脚为7脚，正、负电源为8脚、6脚，所以，在测量时千万要小心，一旦将控制端与供电端短路，将对芯片造成性损坏。

6 结束语

　　本数字示波器信号采集系统的设计选取AD8337作为信号增益调节部分，不但简化了电路设计的复杂性，提高了增益调节的度，而且利用AD8337集成的增益可调、低功耗、宽频带和控制简单等特性，使得本设计和调试都非常容易。由此可见，该芯片在需要调节增益的电路设计中具有很高的实用价值。