摘  要： 給出了一種1輸入6輸出頻標(biāo)分配電路的設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)。采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大及分配，閉環(huán)增益穩(wěn)定性比開環(huán)增益穩(wěn)定性提高了1+A0F倍；通過PCB布線優(yōu)化設(shè)計(jì)，補(bǔ)償通道間時(shí)延差。測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的頻標(biāo)分配電路可滿足1~140 MHz的頻標(biāo)信號(hào)分配。

　　關(guān)鍵詞： 頻率標(biāo)準(zhǔn); 負(fù)反饋放大器; 分配電路

　　頻標(biāo)分配電路將一路頻率輸入信號(hào)分成功率均等、相位一致的多路輸出信號(hào)，在電子系統(tǒng)中經(jīng)常被用于擴(kuò)展輸出或提供多路信號(hào)源[1]。例如在通信系統(tǒng)中，將同源頻標(biāo)、同頻測試信號(hào)、同源定時(shí)控制脈沖信號(hào)分配至多臺(tái)終端設(shè)備，且各設(shè)備輸入信號(hào)滿足功率相同、頻率相同和相位一致。本文結(jié)合頻率分配的電路原理，給出了頻標(biāo)分配電路的設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)方案，最后給出了性能分析及測試結(jié)果。

1 頻標(biāo)分配電路原理

　　頻標(biāo)分配電路將一路輸入信號(hào)(射頻信號(hào)或音/視頻信號(hào))功率均等地分成多路輸出信號(hào)，具有一個(gè)輸入端和若干輸出端，可采用集成運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。在放大電路的設(shè)計(jì)中，利用負(fù)反饋穩(wěn)定放大電路的工作點(diǎn)，增加增益的恒定性，同時(shí)起到減少非線性失真、抑制噪聲、擴(kuò)展頻帶等作用。放大器加入了負(fù)反饋環(huán)節(jié)后，雖然會(huì)犧牲一部分增益，但對放大器一系列性能指標(biāo)產(chǎn)生很大的有益影響。根據(jù)實(shí)際情況的需要，采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋方式的電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大及分配。

　　電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路原理圖如圖1所示[2]?；倦娐肥且恢患蛇\(yùn)放，用A表示；反饋網(wǎng)絡(luò)是由電阻R1和R2組成的分壓器，用F表示。在放大電路的輸入端接入輸入信號(hào)vs，由它引起電路各節(jié)點(diǎn)的電位極性如圖中(+)號(hào)所示，輸入信號(hào)vs接在運(yùn)放的同相輸入端，則VO與vs同極性，VO經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生的反饋電壓VF亦同極性，VF抵消了VI的一部分，整個(gè)放大電路的電壓增益將降低。

　　電壓負(fù)反饋電路的特點(diǎn)是電路的輸出電壓趨向于維持恒定。例如當(dāng)VI一定時(shí)，負(fù)載RL減小而使輸出電壓VO下降，則電路的電壓將進(jìn)行以下自動(dòng)調(diào)整：

　　RL↓→VO↓→VF↓→VID↑

　　VO↑

　　這樣，反饋的結(jié)果牽制了VO的下降，從而使VO基本維持恒定。反饋深度對放大電路性能影響較大，在深度負(fù)反饋的條件下，放大電路的增益可近似為：

　　因此在深度負(fù)反饋的條件下，可通過調(diào)整反饋電阻R1和R2確定工程中所需要的電路增益。

2 電路設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)目標(biāo)是由1路頻標(biāo)輸入信號(hào)產(chǎn)生6路相參頻率輸出，其工作頻率范圍為10~60 MHz，輸入/輸出功率為0~13 dBm。

　　頻標(biāo)分配電路選用1輸入6輸出電壓反饋式放大集成芯片[3] MAX4136實(shí)現(xiàn)1路輸入多路輸出的功能。MAX4136最大輸入信號(hào)帶寬為140 MHz，轉(zhuǎn)換速率為1 000 V/s，通道匹配時(shí)間小于25 ns。該器件應(yīng)用在頻標(biāo)分配電路設(shè)計(jì)中，可以對視頻信號(hào)進(jìn)行高速匹配并分配放大。

　　MAX4136的每一個(gè)輸出端口可以驅(qū)動(dòng)5個(gè)150 Ω的負(fù)載，當(dāng)然隨著負(fù)載的增大，信號(hào)的失真度也將增加，所以在負(fù)載設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到芯片的最大負(fù)荷，使信號(hào)輸出最佳。根據(jù)反饋電路原理，可通過調(diào)節(jié)外接電阻RF、RG的阻值調(diào)整電路增益，這里取RF=200 Ω，RG=200 Ω，實(shí)現(xiàn)2倍電路增益。

　　芯片采用TTL/CMOS兼容的數(shù)字控制電平(SEL)來控制每一個(gè)輸出放大器，當(dāng)SEL為低電平時(shí)輸出放大器導(dǎo)通，為高電平時(shí)輸出截止，導(dǎo)通/截止的時(shí)間小于25 ns。圖2 為MAX4136用于頻率分配的電路圖。

3 性能分析

　　頻綜信號(hào)的多通道分配等應(yīng)用對分配器的增益穩(wěn)定性、損耗等技術(shù)指標(biāo)提出了較高的要求。

　　(1)增益穩(wěn)定性

　　放大器的增益穩(wěn)定性常通過放大倍數(shù)的相對變化率來反應(yīng)。因此dA/A的大小可以衡量增益的穩(wěn)定性，該值越小，放大器的穩(wěn)定性越高。由于晶體管參數(shù)ρ隨溫度變化，放大增益的穩(wěn)定性也要發(fā)生變化。對式(1)進(jìn)行微分可得：

　　即引入負(fù)反饋后，閉環(huán)增益的穩(wěn)定性比開環(huán)增益穩(wěn)定性提高了1+AoF倍。

　　(2) 分配損耗

　　輸入至輸出的分配損耗L(dB)與頻標(biāo)分配電路的功率分配比有關(guān)：

　　L=10log(1/N)   (5)

　　其中N為分配器路數(shù)。對于1輸入6輸出頻標(biāo)分配電路，根據(jù)計(jì)算可得分配損耗約為8 dB。

4 實(shí)現(xiàn)及測試結(jié)果

　　硬件實(shí)現(xiàn)過程中，為了減小電源單元產(chǎn)生的電磁干擾[4]，結(jié)合應(yīng)用背景選擇鋰電池供電方案，同時(shí)電源模塊應(yīng)盡量遠(yuǎn)離分配電路的輸入電路。為了提高通道間相位一致性，要求芯片MAX4136輸出端至分配電路輸出端口的布線長度要一致，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，通過布線優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。

　　經(jīng)測試，頻標(biāo)分配電路的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)總結(jié)如表1所示。

　　本文通過電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路原理分析，給出了頻標(biāo)分配電路的設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)。分析了系統(tǒng)性能，采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大及分配，閉環(huán)增益穩(wěn)定性比開環(huán)增益穩(wěn)定性提高了1+AoF倍；對于1輸入6輸出頻標(biāo)分配電路，根據(jù)計(jì)算可得分配損耗約為8 dB。硬件實(shí)現(xiàn)及測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的頻標(biāo)分配電路可很好地滿足同源頻標(biāo)、測試信號(hào)、脈沖信號(hào)的放大及分配。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1999.

　　[3] 董葉梓,張鵬,毛陸虹.采用噪聲抵消技術(shù)的高增益CMOS寬帶LNA設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(5):44-47,50.

　　[4] 楊世平,葉向德.電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路的低噪聲化條件[J].延安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,22(4):49-50.