高频电刀设计分析¶

参考^1

负载切换电路¶

根据文章所述，电刀分析仪内部使用继电器切换组合负载，负载范围为10~5200Ω。

采样电路的上端为组合电阻，对地的下端电阻为2.0Ω。通过分压电路获取输出电压。根据设定负载，通过K12、K13继续调整分压值，以防止信号过大。

可变负载电阻 R3~R16 (分别由对应继电器 K2~K10 控制) 与测量电阻 R1 (电阻值为 2Ω) 串联。测量电阻 R1 上的高频电压信号经可变衰减器后输出到功率测量单元。该可变衰减器由 10dB 衰减器 (R20~R22、K12)和 20dB 衰减器 (R26~R30、K13) 组成，串联后可得到共30dB 衰减的测量高频电压信号输出^1。

根据K12和K13的挡位切换，可得如下表格的增益。

继电器	K13右档	K13左档
K12右档	27.86dB（1/24.7）	10.1dB（1/3.2）
K12左档	20.0dB（1/10.1）	0dB（1）

功率测量电路¶

QA-ES功率测量单元的核心为宽带（直流至500MHz）四象限乘法器U15（AD834） 与BiFET高速运放U25（AD711） 组成的均方（Mean Square）电路，需注意该电路并非均方根（Root Mean Square）电路。

其信号处理流程如下：

前端滤波

来自可变负载测量电阻的衰减高频电压信号，经5阶无源巴特沃斯低通滤波器（由L1、L2、C5、C6、C7组成，-3dB截止频率约10MHz，测试点为TP1）滤波后，输入至AD834的X、Y输入端，且输入满足 X=Y 的条件。

乘法器输出与滤波调理

AD834的核心难点在于其电流模式输出级：为保障最高带宽，输出采用开路集电极的差分电流对形式。

为得到单端接地基准电压输出，AD834的输出先经RC滤波器（由C8、C9、R35、R36组成，-3dB截止频率约16kHz）滤波，该滤波器的时间常数决定了整个均方电路的时间常数，同时对应AD711输出电压信号的幅度；滤波后的信号接入差分运放AD711的输入端。

运放滤波与放大

差分运放AD711同时完成两项功能：一是通过RC滤波网络（由R32、C11、R85、C10组成，-3dB截止频率约340Hz）滤波；二是以差分增益Gd=4.7 实现信号放大，对应测试点为TP4。

后端增益放大

后续的两个同型号运放U13（AD711）、U14（AD711）均配置为正相放大器，各自提供20dB的放大增益（正相增益G=11），对应测试点分别为TP5、TP6，最终使输出信号具备最优动态范围，适配后续AD转换采集单元的输入要求。

信号处理流程如下图所示。

仿真分析¶

5阶无源巴特沃斯低通滤波器¶

仿真使用输入输出负载均为50Ω，得到结果为11.82MHz的-3dB截止频率。

低通滤波¶

通过100和100nF电容构成低通滤波，fc=15.94kHz。

1级放大¶

通过简单的差分放大，放大倍数为4.7。同时构成低通滤波器，fc=340Hz。

2级放大¶

通过两级同相放大，每级放大倍数为10，串联后为100倍。由于前级有低通滤波，后级的带宽可以做大，没有GBW的高带宽限制。

通过以上多级放大后，信号放大倍数为470倍。

仿真^2 ¶

将所有分级电路串联起来仿真，输入信号为1V、1MHz信号。

根据AD834的描述，输出信号为2mA*（100Ω+100Ω）=400mV，如图中VM3，其平均值为400mV。

经过1级放大后为1.88V，经过2级放大后饱和达到4V。

可见对于输入信号，其最大值约为8mV，对应射频功率可能为mW级别。