一、LMH6518概述

LMH6518是一款專門為示波器模擬前端（AFE）設(shè)計(jì)的數(shù)字控制可變?cè)鲆娣糯笃?。它能夠?qū)δM電壓進(jìn)行采樣，并將其調(diào)整為適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輸入的信號(hào)。該放大器的總增益范圍為 -1.16dB 至 38.8dB，以 2dB 為步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，-3dB 帶寬在所有增益設(shè)置下均為 900MHz，增益精度通常為 0.1dB。

二、產(chǎn)品特性

2.1 增益性能

• 增益范圍廣：增益范圍達(dá)到 40dB，從 -1.16dB 到 38.8dB，能夠滿足多種不同的應(yīng)用需求。
• 增益步長(zhǎng)精確：增益步長(zhǎng)為 2dB，與 TI 的 Gsps ADC 配合使用時(shí)，信號(hào)路徑的組合增益分辨率可達(dá) 8.5mdB，實(shí)現(xiàn)了非常精細(xì)的增益調(diào)節(jié)。
• 增益精度高：每個(gè)增益設(shè)置的精度通常為 0.1dB，確保了信號(hào)放大的準(zhǔn)確性。

2.2 動(dòng)態(tài)性能

• 帶寬寬：-3dB 帶寬為 900MHz，能夠處理高頻信號(hào)，適用于高速應(yīng)用。
• 響應(yīng)速度快：上升和下降時(shí)間小于 500ps，恢復(fù)時(shí)間小于 5ns，能夠快速響應(yīng)信號(hào)的變化。
• 失真低：在 100MHz 時(shí)，二次諧波失真（HD2）為 -50dBc，三次諧波失真（HD3）為 -53dBc，保證了信號(hào)的質(zhì)量。

2.3 噪聲性能

輸入?yún)⒖荚肼暎ㄗ畲笤鲆鏁r(shí)）為 0.98nV/√Hz，低噪聲特性有助于提高系統(tǒng)的信噪比（SNR）。

2.4 其他特性

• 過壓鉗位：配備過壓鉗位功能，能夠保護(hù)放大器和 ADC 免受電壓瞬變的影響，實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)。
• 功耗低：輔助輸出關(guān)閉時(shí)，功耗從 1.1W 降至 0.75W，降低了系統(tǒng)的能耗。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 示波器可編程增益放大器

在示波器中，需要對(duì)不同幅度的信號(hào)進(jìn)行精確放大，LMH6518 的寬增益范圍和高精度增益調(diào)節(jié)能力使其成為理想的選擇。它能夠根據(jù)輸入信號(hào)的幅度自動(dòng)調(diào)整增益，確保信號(hào)在 ADC 輸入范圍內(nèi)得到最佳的采樣。

3.2 差分 ADC 驅(qū)動(dòng)器

為差分 ADC 提供合適的輸入信號(hào)，LMH6518 的差分輸出和高帶寬特性能夠滿足 ADC 的要求，提高系統(tǒng)的性能。

3.3 高頻單端輸入到差分轉(zhuǎn)換

將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信號(hào)，適用于需要差分信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)景，如高速數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 精密增益控制應(yīng)用

在需要精確控制增益的應(yīng)用中，如通信系統(tǒng)、測(cè)試測(cè)量設(shè)備等，LMH6518 的數(shù)字控制增益功能能夠?qū)崿F(xiàn)精確的增益調(diào)節(jié)。

3.5 醫(yī)療應(yīng)用

在醫(yī)療設(shè)備中，對(duì)信號(hào)的處理要求較高，LMH6518 的低噪聲、高精度和快速響應(yīng)特性能夠滿足醫(yī)療應(yīng)用的需求。

3.6 RF/IF 應(yīng)用

在射頻（RF）和中頻（IF）電路中，LMH6518 的高帶寬和低失真特性使其能夠處理高頻信號(hào)，提高系統(tǒng)的性能。

四、功能框圖與工作原理

4.1 功能框圖

從功能框圖中可以看出，LMH6518 主要由輸入前置放大器、輸出放大器、帶寬限制電路、過壓鉗位電路、數(shù)字控制塊等部分組成。

4.2 工作原理

• 輸入前置放大器：具有兩個(gè)增益設(shè)置（高增益 HG 和低增益 LG），輸入阻抗為 150kΩ，能夠?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行初步放大。
• 輸出放大器：包括主輸出放大器和輔助輸出放大器，主輸出放大器用于驅(qū)動(dòng) ADC，輔助輸出放大器用于提供觸發(fā)信號(hào)。輸出放大器具有內(nèi)部 100Ω 終端，用于與 100Ω 輸入阻抗的 ADC 接口。
• 帶寬限制電路：可以選擇 20、100、200、350、650、750MHz 或全帶寬設(shè)置，用于限制信號(hào)的帶寬，減少噪聲和干擾。
• 過壓鉗位電路：在輸入前置放大器和最終輸出放大器之后分別設(shè)置了過壓鉗位電路，用于保護(hù)放大器和 ADC 免受電壓瞬變的影響。
• 數(shù)字控制塊：通過 SPI-1 兼容的串行總線對(duì)增益、電壓鉗位和帶寬進(jìn)行數(shù)字控制，還可以禁用輔助放大器。

五、電氣特性

5.1 絕對(duì)最大額定值

在使用 LMH6518 時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值，如電源電壓、差分輸入電壓、輸入共模電壓等，超過這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。

5.2 ESD 額定值

該設(shè)備的人體模型（HBM）靜電放電額定值為 ±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為 ±1000V，機(jī)器模型（MM）為 ±200V，在使用和處理過程中需要注意靜電防護(hù)。

5.3 推薦工作條件

推薦的工作條件包括電源電壓、溫度范圍等，在這些條件下使用設(shè)備能夠保證其性能和可靠性。

5.4 電氣特性表

文檔中詳細(xì)列出了 LMH6518 的電氣特性，如動(dòng)態(tài)性能、噪聲、失真、增益參數(shù)、匹配特性、模擬 I/O 特性等，這些特性在不同的測(cè)試條件下進(jìn)行了測(cè)量和保證。

六、典型應(yīng)用 - 示波器前端

6.1 設(shè)計(jì)要求

在示波器應(yīng)用中，需要對(duì)從毫伏到伏級(jí)的信號(hào)進(jìn)行采樣，為了充分利用 ADC 的有限輸入范圍，示波器輸入電路必須具有較寬的增益范圍。同時(shí)，還需要考慮信噪比（SNR）的要求，以確保顯示的波形質(zhì)量。

6.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)過程

• 信號(hào)路徑設(shè)計(jì)：LMH6518 的信號(hào)路徑包括輸入前置放大器、梯形衰減器和輸出放大器。通過調(diào)整前置放大器的增益（HG 或 LG）和梯形衰減器的衰減值（0dB 至 20dB），可以實(shí)現(xiàn) 40dB 的增益調(diào)節(jié)范圍。
• 與 ADC 的配合：TI 的 Gsps ADC 具有全量程（FS）調(diào)整功能，通過擴(kuò)展控制模式（ECM）可以實(shí)現(xiàn)近連續(xù)的增益變化（8.5mdB 分辨率），與 LMH6518 配合使用能夠覆蓋 42.6dB 的 FS 輸入范圍。
• 前端衰減器：為了適應(yīng)更高的 FS 輸入，需要在 LMH6518 之前添加額外的衰減器。根據(jù)最大 FS 輸入信號(hào)確定前端衰減器的最小衰減水平，例如，為了適應(yīng) 80VPP 的輸入信號(hào)，需要在 LMH6518 之前進(jìn)行 40dB 的最小衰減。
• SNR 考慮：影響 SNR 的因素包括示波器前端噪聲、LMH6518、ADC 等。通過合理選擇前端衰減器、LMH6518 的增益設(shè)置和帶寬限制，可以提高系統(tǒng)的 SNR。

6.3 輸入和輸出考慮

• 理想條件：LMH6518 的理想輸入和輸出條件包括阻抗匹配、共模電壓范圍、輸入輸出電壓幅度等，在設(shè)計(jì)時(shí)需要確保滿足這些條件以獲得最佳性能。
• 單端輸入驅(qū)動(dòng)：輸入是差分的，但可以單端驅(qū)動(dòng)，只要滿足理想條件，并且驅(qū)動(dòng)和未驅(qū)動(dòng)輸入之間在 DC 到最高感興趣頻率之間具有良好的匹配。
• 輸出擺幅和鉗位：為了確保 ADC 輸入不被過度驅(qū)動(dòng)，LMH6518 配備了三個(gè)過壓鉗位電路，能夠快速?gòu)倪^驅(qū)動(dòng)狀態(tài)恢復(fù)。通過查看典型特性圖可以確定輸出擺動(dòng)超出滿量程的線性范圍，從而設(shè)置過驅(qū)動(dòng)限制。

6.4 示波器觸發(fā)應(yīng)用

LMH6518 的輔助輸出可以用于實(shí)現(xiàn)示波器的觸發(fā)功能。輔助輸出跟隨主輸出，但失真性能略有降低。通過設(shè)置 (V_{CM_Aux}) 輸入來設(shè)置輔助共模電壓，如果需要，可以利用差分輔助輸出將觸發(fā)功能與主信號(hào)路徑分開，以減少板級(jí)共模干擾。

七、編程與控制

7.1 邏輯功能

LMH6518 的功能通過 SPI-1 兼容的總線進(jìn)行控制，包括濾波器選擇、電源模式、前置放大器增益、梯形衰減器設(shè)置等。

7.2 數(shù)據(jù)字段和默認(rèn)設(shè)置

文檔中詳細(xì)說明了數(shù)據(jù)字段的含義和默認(rèn)的上電復(fù)位條件，在編程時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置相應(yīng)的位。

7.3 讀寫操作和時(shí)序要求

SPI 總線的讀寫操作有特定的時(shí)序要求，如 SDIO 設(shè)置時(shí)間、保持時(shí)間、CS 使能和禁用設(shè)置時(shí)間等，在設(shè)計(jì)時(shí)需要確保滿足這些時(shí)序要求。

八、電源供應(yīng)和布局建議

8.1 電源供應(yīng)

LMH6518 需要兩個(gè)電源供應(yīng)，模擬信號(hào)路徑由 5V（±5%）電源供電，數(shù)字控制由 3.3V（±5%）電源供電。在電源引腳處需要放置旁路電容，以減少電源噪聲。

8.2 布局建議

布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的指定性能至關(guān)重要。需要確保電路的對(duì)稱性，輸入走線采用阻抗控制的傳輸線，使用接地平面填充放大器輸入和輸出走線之間的空間，以減少輸出到輸入的耦合。當(dāng)驅(qū)動(dòng) ADC 時(shí)，ADC 應(yīng)盡量靠近 LMH6518 的輸出引腳。

九、總結(jié)

LMH6518 是一款性能卓越的數(shù)字控制可變?cè)鲆娣糯笃鳎哂袑捲鲆娣秶?、高精度增益調(diào)節(jié)、高帶寬、低噪聲、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。它在示波器、差分 ADC 驅(qū)動(dòng)、高頻信號(hào)處理等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮其電氣特性、應(yīng)用要求、編程控制、電源供應(yīng)和布局等方面的因素，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。希望本文能夠?qū)?a target="_blank">電子工程師在使用 LMH6518 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些有用的參考。

大家在使用 LMH6518 過程中遇到過哪些問題呢？或者對(duì)于它的應(yīng)用還有哪些想法，歡迎在評(píng)論區(qū)交流討論。