集成运放的非线性失真分析及电路应用

作者：时间：2010-05-26来源：网络收藏

在下面的电路设计中，AD8062采用单电源3．3 V供电方式，输入端使用的是I／Q两路正交信号，用于测试的输入信号是单频信号，输入信号功率范围为-28～-12 dBm，信道带宽5 MHz。集成运放的电路设计应用在ISM频段定位系统的接收射频前端电路，在AD8347对I／Q正交射频信号下变频后，对基带信号进行放大输出。AD8062差分放大采用的是双端输入单端输出的方式，I／Q两路双极性信号经集成运放合并后传输给A／D变换器进行采样。当接收信号为跳频信号时，AD8062电压的变化速率很快，能够即时跟随阶跃电压的变化。最初的设计采用图1(a)所示的电路连接方式，其中设计的MIMO系统接收射频前端曾有应用，在MIMO系统中采用的是单电源5 V供电方式，输入信号频率范围为0～5 MHz，功率为-12 dBm。上述条件下，放大器的功率增益为11 dB，信号输出的谐波失真小于-40 dBc，满足接收机灵敏度和后端A／D采样的要求。然而，AD8062的连接方式直接用于3．3 V单电源，当输入信号频率为1 MHz时，电路的输出特性如图2和图3所示。

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AD8062的差分放大电路连接方式1，集成运放I／Q两路双极性输入的电压信号大小相等，符号相反，理论上经下变频器输出的双极性信号到AD8062的增益(dB)由下式计算得到：

在下变频器输出信号为-28 dBm的情况下，由图2可以看出AD8062的增益为11 dB左右，信噪比为20 dB左右，该增益基本满足理论计算值。但是，当下变频器输出信号为-12 dBm时，输入到AD8062信号的各次谐波功率均大于-50 dBc。由图3可发现，在AD8062的大信号输入时AD8062的非线性特性使得输出信号严重失真，5 MHz信号带宽内二次谐波为-10 dBc，信号输出功率不能满足理论计算值。AD8062的严重带内谐波失真，使得后端无法检测到有用的信号，造成了这种电路无法正常使用。
2．3 AD8062的非线性分析和电路优化
在集成运放的非线性参数中，单频输入信号电压的变化速率很低，基本不用考虑AD8062的压摆率特性是造成谐波失真的原因。考虑到单电源集成运放在电源电压变小时，其最大共模输入电压范围也会变小，电路连接方式1产生的谐波失真与最大输入共模电压有很大的关系。A-D8062允许输入信号的最大共模电压范围为(-Vs―O．2 V)～(+Vs―1．8 V)，电源电压越小，AD8062的最大共模输入电压范围越小，若超出这个最大范围，芯片就可能被烧毁。另外，关系到集成运放非线性参数的共模输入电压范围还要小于上述范围。在单电源5 V电压供电的电路中，允许输入信号的最大共模电压范围为-5．2～+3．2 V，然而在单电源3．3 V供电的电路中，该范围为-3．5～+1．5 V。电源电压的减少，使得AD8062的最大输入共模电压范围有所减少，这可能是造成集成运放非线性失真的原因。连接方式l的信号输入端没有隔直电容，必然造成集成运放对直流信号的放大，这就会出现输出信号的谐波失真。这是因为当直流电压超出最大输入共模电压范围时，集成运放的静态工作点发生了较大偏移，差分对管中的一管输出电流趋于饱和，另外一管的输出电流趋于截止，两管的输出电流之差不再跟随输入信号发生变化，而表现出集成运放的限幅电路特性，造成集成运放在大信号输入时输出信号的非线性失真。由此可以判断，在大信号输入的情况下，AD-8062的峰值超过了输入共模电压范围。为了解决共模电压过大的问题，对上述电路进行优化设计，即在连接方式2的集成运放的负项输入端加入隔直电容，其连接如图1(b)所示。