探索LMH6518：900MHz数字控制可变增益放大器的卓越性能与应用

在电子工程领域，可变增益放大器（VGA）是一个关键的组件，它在许多应用中都发挥着重要作用。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的LMH6518，一款900MHz数字控制可变增益放大器，看看它有哪些独特的特性和应用场景。

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一、LMH6518概述

LMH6518是一款专门为示波器模拟前端（AFE）设计的数字控制可变增益放大器。它能够对模拟电压进行采样，并将其调整为适合模数转换器（ADC）输入的信号。该放大器的总增益范围为 -1.16dB 至 38.8dB，以 2dB 为步长进行调节，-3dB 带宽在所有增益设置下均为 900MHz，增益精度通常为 0.1dB。

二、产品特性

2.1 增益性能

• 增益范围广：增益范围达到 40dB，从 -1.16dB 到 38.8dB，能够满足多种不同的应用需求。
• 增益步长精确：增益步长为 2dB，与 TI 的 Gsps ADC 配合使用时，信号路径的组合增益分辨率可达 8.5mdB，实现了非常精细的增益调节。
• 增益精度高：每个增益设置的精度通常为 0.1dB，确保了信号放大的准确性。

2.2 动态性能

• 带宽宽：-3dB 带宽为 900MHz，能够处理高频信号，适用于高速应用。
• 响应速度快：上升和下降时间小于 500ps，恢复时间小于 5ns，能够快速响应信号的变化。
• 失真低：在 100MHz 时，二次谐波失真（HD2）为 -50dBc，三次谐波失真（HD3）为 -53dBc，保证了信号的质量。

2.3 噪声性能

输入参考噪声（最大增益时）为 0.98nV/√Hz，低噪声特性有助于提高系统的信噪比（SNR）。

2.4 其他特性

• 过压钳位：配备过压钳位功能，能够保护放大器和 ADC 免受电压瞬变的影响，实现快速恢复。
• 功耗低：辅助输出关闭时，功耗从 1.1W 降至 0.75W，降低了系统的能耗。

三、应用场景

3.1 示波器可编程增益放大器

在示波器中，需要对不同幅度的信号进行精确放大，LMH6518 的宽增益范围和高精度增益调节能力使其成为理想的选择。它能够根据输入信号的幅度自动调整增益，确保信号在 ADC 输入范围内得到最佳的采样。

3.2 差分 ADC 驱动器

为差分 ADC 提供合适的输入信号，LMH6518 的差分输出和高带宽特性能够满足 ADC 的要求，提高系统的性能。

3.3 高频单端输入到差分转换

将单端输入信号转换为差分输出信号，适用于需要差分信号的应用场景，如高速数据传输。

3.4 精密增益控制应用

在需要精确控制增益的应用中，如通信系统、测试测量设备等，LMH6518 的数字控制增益功能能够实现精确的增益调节。

3.5 医疗应用

在医疗设备中，对信号的处理要求较高，LMH6518 的低噪声、高精度和快速响应特性能够满足医疗应用的需求。

3.6 RF/IF 应用

在射频（RF）和中频（IF）电路中，LMH6518 的高带宽和低失真特性使其能够处理高频信号，提高系统的性能。

四、功能框图与工作原理

4.1 功能框图

从功能框图中可以看出，LMH6518 主要由输入前置放大器、输出放大器、带宽限制电路、过压钳位电路、数字控制块等部分组成。

4.2 工作原理

• 输入前置放大器：具有两个增益设置（高增益 HG 和低增益 LG），输入阻抗为 150kΩ，能够对输入信号进行初步放大。
• 输出放大器：包括主输出放大器和辅助输出放大器，主输出放大器用于驱动 ADC，辅助输出放大器用于提供触发信号。输出放大器具有内部 100Ω 终端，用于与 100Ω 输入阻抗的 ADC 接口。
• 带宽限制电路：可以选择 20、100、200、350、650、750MHz 或全带宽设置，用于限制信号的带宽，减少噪声和干扰。
• 过压钳位电路：在输入前置放大器和最终输出放大器之后分别设置了过压钳位电路，用于保护放大器和 ADC 免受电压瞬变的影响。
• 数字控制块：通过 SPI-1 兼容的串行总线对增益、电压钳位和带宽进行数字控制，还可以禁用辅助放大器。

五、电气特性

5.1 绝对最大额定值

在使用 LMH6518 时，需要注意其绝对最大额定值，如电源电压、差分输入电压、输入共模电压等，超过这些额定值可能会导致设备永久性损坏。

5.2 ESD 额定值

该设备的人体模型（HBM）静电放电额定值为 ±2000V，带电设备模型（CDM）为 ±1000V，机器模型（MM）为 ±200V，在使用和处理过程中需要注意静电防护。

5.3 推荐工作条件

推荐的工作条件包括电源电压、温度范围等，在这些条件下使用设备能够保证其性能和可靠性。

5.4 电气特性表

文档中详细列出了 LMH6518 的电气特性，如动态性能、噪声、失真、增益参数、匹配特性、模拟 I/O 特性等，这些特性在不同的测试条件下进行了测量和保证。

六、典型应用 - 示波器前端

6.1 设计要求

在示波器应用中，需要对从毫伏到伏级的信号进行采样，为了充分利用 ADC 的有限输入范围，示波器输入电路必须具有较宽的增益范围。同时，还需要考虑信噪比（SNR）的要求，以确保显示的波形质量。

6.2 详细设计过程

• 信号路径设计：LMH6518 的信号路径包括输入前置放大器、梯形衰减器和输出放大器。通过调整前置放大器的增益（HG 或 LG）和梯形衰减器的衰减值（0dB 至 20dB），可以实现 40dB 的增益调节范围。
• 与 ADC 的配合：TI 的 Gsps ADC 具有全量程（FS）调整功能，通过扩展控制模式（ECM）可以实现近连续的增益变化（8.5mdB 分辨率），与 LMH6518 配合使用能够覆盖 42.6dB 的 FS 输入范围。
• 前端衰减器：为了适应更高的 FS 输入，需要在 LMH6518 之前添加额外的衰减器。根据最大 FS 输入信号确定前端衰减器的最小衰减水平，例如，为了适应 80VPP 的输入信号，需要在 LMH6518 之前进行 40dB 的最小衰减。
• SNR 考虑：影响 SNR 的因素包括示波器前端噪声、LMH6518、ADC 等。通过合理选择前端衰减器、LMH6518 的增益设置和带宽限制，可以提高系统的 SNR。

6.3 输入和输出考虑

• 理想条件：LMH6518 的理想输入和输出条件包括阻抗匹配、共模电压范围、输入输出电压幅度等，在设计时需要确保满足这些条件以获得最佳性能。
• 单端输入驱动：输入是差分的，但可以单端驱动，只要满足理想条件，并且驱动和未驱动输入之间在 DC 到最高感兴趣频率之间具有良好的匹配。
• 输出摆幅和钳位：为了确保 ADC 输入不被过度驱动，LMH6518 配备了三个过压钳位电路，能够快速从过驱动状态恢复。通过查看典型特性图可以确定输出摆动超出满量程的线性范围，从而设置过驱动限制。

6.4 示波器触发应用

LMH6518 的辅助输出可以用于实现示波器的触发功能。辅助输出跟随主输出，但失真性能略有降低。通过设置 (V_{CM_Aux}) 输入来设置辅助共模电压，如果需要，可以利用差分辅助输出将触发功能与主信号路径分开，以减少板级共模干扰。

七、编程与控制

7.1 逻辑功能

LMH6518 的功能通过 SPI-1 兼容的总线进行控制，包括滤波器选择、电源模式、前置放大器增益、梯形衰减器设置等。

7.2 数据字段和默认设置

文档中详细说明了数据字段的含义和默认的上电复位条件，在编程时需要根据实际需求设置相应的位。

7.3 读写操作和时序要求

SPI 总线的读写操作有特定的时序要求，如 SDIO 设置时间、保持时间、CS 使能和禁用设置时间等，在设计时需要确保满足这些时序要求。

八、电源供应和布局建议

8.1 电源供应

LMH6518 需要两个电源供应，模拟信号路径由 5V（±5%）电源供电，数字控制由 3.3V（±5%）电源供电。在电源引脚处需要放置旁路电容，以减少电源噪声。

8.2 布局建议

布局对于实现设备的指定性能至关重要。需要确保电路的对称性，输入走线采用阻抗控制的传输线，使用接地平面填充放大器输入和输出走线之间的空间，以减少输出到输入的耦合。当驱动 ADC 时，ADC 应尽量靠近 LMH6518 的输出引脚。

九、总结

LMH6518 是一款性能卓越的数字控制可变增益放大器，具有宽增益范围、高精度增益调节、高带宽、低噪声、快速响应等优点。它在示波器、差分 ADC 驱动、高频信号处理等多个领域都有广泛的应用前景。在设计过程中，需要充分考虑其电气特性、应用要求、编程控制、电源供应和布局等方面的因素，以确保系统的性能和可靠性。希望本文能够对电子工程师在使用 LMH6518 进行设计时提供一些有用的参考。

大家在使用 LMH6518 过程中遇到过哪些问题呢？或者对于它的应用还有哪些想法，欢迎在评论区交流讨论。