在現代電子測試系統中，信號發生器是驗證電路功能、評估器件性能的核心工具。本文面向工程師，介紹一種基于電壓控制增益放大器（VGA）和電流反饋放大器（CFA）構建的小型化、高性能信號發生器輸出級設計方案，旨在替代傳統依賴繼電器切換的復雜結構，在降低成本的同時提升輸出連續性與可靠性。

一、信號發生器輸出級的傳統挑戰

傳統信號發生器通常采用分立元件或專用ASIC配合繼電器實現多檔增益切換，以覆蓋0.025 V至5 V的寬幅輸出范圍。該方案存在以下問題：

繼電器機械動作帶來輸出不連續；

多級切換導致非線性誤差；

系統復雜度高，維護成本大；

高頻響應受限，難以滿足寬帶應用需求。

因此，亟需一種無需繼電器即可實現連續可調、高帶寬、高驅動能力的輸出級架構。

二、核心組件選型與功能分析

1. 電壓增益放大器（VGA）：AD8338

AD8338是一款低功耗、寬動態范圍的VGA，其關鍵特性包括：

可編程增益范圍：0 dB 至 80 dB；

支持差分輸入，兼容DAC/DDS等數字合成器件；

內部補償機制優化輸入不對稱帶來的誤差；

輸入端內部偏置電壓為1.5 V，最大輸入電流限制為3 mA；

適用于從微伏級到伏級的連續幅度調節。

使用AD8338可直接實現0.5 mV至5 V的無斷點輸出，省去傳統繼電器切換步驟，顯著提高輸出平滑性和穩定性。

2. 差分轉單端轉換器：AD8130

由于AD8338輸出為差分形式，而后級功率放大器ADA4870為單端輸入，因此需要AD8130進行電平轉換。AD8130具備如下優勢：

帶寬：270 MHz；

壓擺率：1090 V/μs；

高CMRR（共模抑制比）：DC至100 kHz范圍內達94 dB；

固定增益G=+1，無需外部配置；

支持±10.5 V輸入共模范圍；

支持高速、低失真信號傳輸。

通過將AD8338與AD8130級聯，可實現高保真、高速的差分至單端轉換，確保后續功率放大階段信號完整性。

3. 功率放大器（CFA）：ADA4870

作為輸出級的最后一環，ADA4870是一款高壓、大電流輸出的電流反饋型運算放大器，主要參數如下：

輸出電流：±1 A；

輸出電壓：±17 V（供電±20 V時）；

帶寬：高達23 MHz（滿負載）；

增益配置建議：G=10，以實現1.6 V輸入驅動下±16 V輸出；

可驅動50 Ω負載，輸出功率達22.4 Vpp（約39 dBm）；

支持高頻信號放大，適合任意波形發生器應用。

ADA4870的引入使系統能夠輕松應對如HF放大器測試、超聲脈沖生成等對輸出功率要求較高的應用場景。

三、整體架構與性能指標

圖3所示的整體輸出級結構由以下模塊組成：

AD8338：完成主增益控制；

AD8130：執行差分至單端轉換；

ADA4870：提供高壓高流輸出驅動。

實測數據顯示，該架構在50 Ω負載下可實現：

輸出幅度：0.5 mV ~ 22.4 Vpp；

輸出頻率帶寬：20 MHz；

輸出功率：39 dBm；

總諧波失真：優于-74 dBc（5 MHz條件下）；

響應時間快、無繼電器切換中斷；

結構緊湊，易于集成。

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四、設計要點與工程建議

熱管理：ADA4870在大電流工作時會發熱，建議加裝散熱片或風冷措施；

PCB布局：注意高速信號走線匹配，減少寄生電感影響；

電源設計：推薦使用低噪聲、高穩定性的±20 V雙電源供電；

保護機制：增加輸出限流、過溫檢測以防止器件損壞；

增益鏈計算：根據所需輸出幅度合理分配各級增益；

校準流程：出廠前應進行整體增益和相位校準，確保精度。

五、總結

通過AD8338 VGA + AD8130差分接收器 + ADA4870 CFA的組合，可以構建一個高效、緊湊、低成本且具備高性能的信號發生器輸出級。相比傳統繼電器切換方案，本設計具有更高的穩定性、更長的使用壽命及更好的連續調節能力，特別適合用于新一代任意波形發生器、高頻測試設備以及工業自動化測試平臺。對于追求高集成度與高性能并重的現代測試系統設計而言，這一方案值得深入評估與推廣。