基于VGA与CFA的高效信号发生器输出级设计指南

在现代电子测试系统中，信号发生器是验证电路功能、评估器件性能的核心工具。本文面向工程师，介绍一种基于电压控制增益放大器（VGA）和电流反馈放大器（CFA）构建的小型化、高性能信号发生器输出级设计方案，旨在替代传统依赖继电器切换的复杂结构，在降低成本的同时提升输出连续性与可靠性。

一、信号发生器输出级的传统挑战

传统信号发生器通常采用分立元件或专用ASIC配合继电器实现多档增益切换，以覆盖0.025 V至5 V的宽幅输出范围。该方案存在以下问题：

继电器机械动作带来输出不连续；

多级切换导致非线性误差；

系统复杂度高，维护成本大；

高频响应受限，难以满足宽带应用需求。

因此，亟需一种无需继电器即可实现连续可调、高带宽、高驱动能力的输出级架构。

二、核心组件选型与功能分析

1. 电压增益放大器（VGA）：AD8338

AD8338是一款低功耗、宽动态范围的VGA，其关键特性包括：

可编程增益范围：0 dB 至 80 dB；

支持差分输入，兼容DAC/DDS等数字合成器件；

内部补偿机制优化输入不对称带来的误差；

输入端内部偏置电压为1.5 V，最大输入电流限制为3 mA；

适用于从微伏级到伏级的连续幅度调节。

使用AD8338可直接实现0.5 mV至5 V的无断点输出，省去传统继电器切换步骤，显著提高输出平滑性和稳定性。

2. 差分转单端转换器：AD8130

由于AD8338输出为差分形式，而后级功率放大器ADA4870为单端输入，因此需要AD8130进行电平转换。AD8130具备如下优势：

带宽：270 MHz；

压摆率：1090 V/μs；

高CMRR（共模抑制比）：DC至100 kHz范围内达94 dB；

固定增益G=+1，无需外部配置；

支持±10.5 V输入共模范围；

支持高速、低失真信号传输。

通过将AD8338与AD8130级联，可实现高保真、高速的差分至单端转换，确保后续功率放大阶段信号完整性。

3. 功率放大器（CFA）：ADA4870

作为输出级的最后一环，ADA4870是一款高压、大电流输出的电流反馈型运算放大器，主要参数如下：

输出电流：±1 A；

输出电压：±17 V（供电±20 V时）；

带宽：高达23 MHz（满负载）；

增益配置建议：G=10，以实现1.6 V输入驱动下±16 V输出；

可驱动50 Ω负载，输出功率达22.4 Vpp（约39 dBm）；

支持高频信号放大，适合任意波形发生器应用。

ADA4870的引入使系统能够轻松应对如HF放大器测试、超声脉冲生成等对输出功率要求较高的应用场景。

三、整体架构与性能指标

图3所示的整体输出级结构由以下模块组成：

AD8338：完成主增益控制；

AD8130：执行差分至单端转换；

ADA4870：提供高压高流输出驱动。

实测数据显示，该架构在50 Ω负载下可实现：

输出幅度：0.5 mV ~ 22.4 Vpp；

输出频率带宽：20 MHz；

输出功率：39 dBm；

总谐波失真：优于-74 dBc（5 MHz条件下）；

响应时间快、无继电器切换中断；

结构紧凑，易于集成。

如需AD8338、AD8130、ADA4870产品规格书、样片测试、采购、BOM配单等需求，请加客服微信：13310830171。

四、设计要点与工程建议

热管理：ADA4870在大电流工作时会发热，建议加装散热片或风冷措施；

PCB布局：注意高速信号走线匹配，减少寄生电感影响；

电源设计：推荐使用低噪声、高稳定性的±20 V双电源供电；

保护机制：增加输出限流、过温检测以防止器件损坏；

增益链计算：根据所需输出幅度合理分配各级增益；

校准流程：出厂前应进行整体增益和相位校准，确保精度。

五、总结

通过AD8338 VGA + AD8130差分接收器 + ADA4870 CFA的组合，可以构建一个高效、紧凑、低成本且具备高性能的信号发生器输出级。相比传统继电器切换方案，本设计具有更高的稳定性、更长的使用寿命及更好的连续调节能力，特别适合用于新一代任意波形发生器、高频测试设备以及工业自动化测试平台。对于追求高集成度与高性能并重的现代测试系统设计而言，这一方案值得深入评估与推广。