Funktionsgeneratoren Leistungsstarke Signalgenerator-Ausgangsstufe bauen

Die Herausforderung bei selbst gebauten Signalgeneratoren liegt im Design der Ausgangsstufe. In diesem Analogtipp stellen wir Ihnen eine kleine und preiswerte Ausgangsstufe mit VGA und CFA vor.

Signalgeneratoren erzeugen definierte elektrische Signale mit einem charakteristischen Zeitverlauf. Weisen diese Signale einen einfachen, periodischen Verlauf auf (Sinus-, Rechteck- oder Dreieckschwingungen), spricht man von Funktionsgeneratoren. Diese werden häufig dazu verwendet, elektrische Schaltungen oder Baugruppen auf ihre Funktion zu prüfen.

Dabei wird ein definiertes Signal an den Eingang der Baugruppe gelegt und am Ausgang von einem entsprechenden Messgerät (z.B. Oszilloskop) empfangen. Anschließend kann es vom Benutzer bewertet werden. Einfache Signalgeratoren können Sie auch selber bauen.

In der Vergangenheit bestand dabei die Herausforderung meist beim Design der Ausgangsstufe. In diesem Analogtipp zeige ich Ihnen, wie Sie eine kleine und preiswerte Ausgangsstufe mit einem VGA (Variable Gain Amplifier) und einem CFA (Current Feedback Amplifier) aufbauen.

Typische Signalgeneratoren liefern Ausgangspannungen von 25 mV bis 5 V. Um Lasten von 50 Ω und mehr treiben zu können, werden ausgangsseitig meist leistungsstarke diskrete Komponenten, mehrere Komponenten parallel oder teure ASICs eingesetzt. Über interne Relais kann zwischen verschiedenen Verstärkungs- bzw. Dämpfungsgraden gewechselt und somit der Ausgangspegel angepasst werden. Durch das erforderliche Umschalten des Relais für verschiedene Verstärkungen entsteht ein diskontinuierlicher Betrieb. Ein vereinfachtes Blockschaltbild ist in Bild 1 dargestellt.

Mit neueren Verstärker-ICs lassen sich Lasten auch direkt ansteuern, wodurch sich die internen Relais eingespart werden. Das Design des Generatorausgangs wird dadurch einfacher und die Komplexität und Kosten sinken. Die beiden Hauptkomponenten eines derartigen Ausganges bilden eine leistungsstarke Ausgangsstufe, die hohe Geschwindigkeiten, hohe Spannungen und hohe Ströme liefert, und ein variabler Verstärker (VGA) mit linearer Feinabstimmung.

Zunächst muss das ursprüngliche Eingangssignal durch einen VGA verstärkt bzw. gedämpft werden. Das Ausgangssignal des VGA kann unabhängig von dessen Eingangssignal auf eine gewünschte Amplitude eingestellt werden.

Für eine Ausgangsamplitude U_OUT von 2 V bei einer Verstärkung der Leistungsendstufe von 10 muss beispielsweise die Ausgangsamplitude des VGA auf 0,2 V geregelt werden. Leider werden viele VGAs aufgrund ihres begrenzten Verstärkungsbereichs zum Engpass. Verstärkungsbereiche größer 45 dB sind daher eher die Seltenheit.

Keine mechanischen Komponenten und differenzielle Schnittstelle

Mit dem Low-Power VGA AD8338 bietet Analog Devices einen programmierbaren Verstärkungsbereich von 0 bis 80 dB. Unter idealen Bedingungen können hiermit bei Signalgeneratoren Ausgangsamplituden zwischen 0,5 mV und 5 V stufenlos programmiert werden, ohne zusätzliche Relais oder geschaltete Netzwerke.

Durch den Wegfall dieser mechanischen Komponenten lassen sich Diskontinuitäten vermeiden und gleichzeitig eine erhöhte Lebensdauer der Instrumente sowie eine erhöhte Systemzuverlässigkeit erreichen.

Da DACs und DDS oftmals über differenzielle Ausgänge verfügen, bietet der AD8338 eine vollständig differentielle Schnittstelle. Ferner lassen sich mittels einer flexiblen Eingangsstufe mögliche Asymmetrien der Eingangsströme durch eine interne Rückkopplung ausgleichen. Parallel werden die internen Knoten auf 1,5 V gehalten.

Unter normalen Bedingungen erzeugt das Eingangssignal von max. 1,5 V bei Eingangswiderständen von 500 Ω einen Strom von 3 mA. Bei höheren Eingangsamplitude, z.B. 15 V, würde ein größerer Widerstand direkt an den Eingangspins erforderlich sein. Dieser Widerstand wird so bemessen, dass ebenfalls ein Strom von 3 mA resultiert.

Der Sinn des Current-Feedback-Verstärkers

Viele kommerzielle Signalgeneratoren liefern eine maximale effektive Ausgangsleistung von 250 mW (+24 dBm) bei einer Last von 50 Ω (Sinusform). Dies reicht für Anwendungen mit höherer Ausgangsleistung jedoch oftmals nicht aus, wie es z.B. beim Testen von HF-Verstärkern oder zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen erforderlich ist. Aus diesem Grund kommen zusätzlich Current-Feedback-Verstärker zum Einsatz.

Der ADA4870 ermöglicht bei einer Versorgungsspannung von ±20 V ausgangsseitig einen Treiberstrom von 1 A bei einer Amplitude von 17 V. Sinuswellen lassen sich unter Volllast bis zu 23 MHz generieren, was ihn zu einem idealen Front-End-Treiber für universell einsetzbare arbiträre Signalformgeneratoren macht.

Zur Optimierung des Signalhubs des Ausgangs ist der ADA4870 mit einer Verstärkung von +10 konfiguriert. Die erforderliche Eingangsamplitude beträgt somit 1,6 V. Da der Chip einen massebezogenen Eingang besitzt, der davor geschaltete AD8338 jedoch einen differenziellen Ausgang aufweist, muss ein differenzieller Empfangsverstärker zur differenziell/massebezogenen Wandlung dazwischen zu geschaltet werden.

Hierzu eignet sich der AD8130 mit einem Verstärkungsbandbreitenprodukt (GBWP) von 270 MHz und einer Spannungsanstiegsgeschwindigkeit von 1090 V/µs. Der Ausgang des AD8338 ist auf ±1,0 V begrenzt, weswegen die Zwischenverstärkung des AD8130 auf 1,6 V/V ausgezulegt wird. Die gesamte Schaltung in Bild 3 bietet eine Bandbreite von 20 MHz bei einer Amplitude von 22,4 V (+39 dBm) an einer Last von 50 Ω.

Fazit: Durch die Kombination eines Hochleistungs-VGAs (AD8338) mit einem leistungsstarken CFA (ADA4870) und einem differenziellen Empfangsverstärker (AD8130) lässt sich relativ einfach und kompakt eine komplette Signalgenerator-Ausgangsstufe für höhere Leistungen aufbauen, die im Vergleich zu traditionellen Ausgangsstufen durch eine höhere Systemzuverlässigkeit, höhere Lebensdauer sowie geringeren Kosten punktet.

* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.

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