5V單電源供電的低噪聲寬帶放大器

摘要：以單片機(jī)MSP430F449為控制核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)5 V單電源供電的低噪聲寬帶放大器。采用單位增益穩(wěn)定低噪聲運(yùn)放OPA820作為前級(jí)放大，高速運(yùn)放THS3091作為末級(jí)放大，其中利用DC—DC變換器TPS61087將5 V電壓轉(zhuǎn)化為18 V從而為末級(jí)放大電路供電。此外，系統(tǒng)還采用12位高速A／D轉(zhuǎn)換器ADS803實(shí)現(xiàn)了測(cè)量并數(shù)字顯示放大器輸出電壓峰峰值的功能，測(cè)量誤差小于5％。本系統(tǒng)最高電壓增益達(dá)到43 dB，上限及下限截止頻率達(dá)到15 MHz和20 Hz，在50 Ω負(fù)載上，最大不失真輸出電壓峰峰值為4．2V。系統(tǒng)的輸出噪聲小于200mV。
關(guān)鍵詞：寬帶放大器；低噪聲；高增益；5 V單電源供電

寬帶放大器，即上限工作頻率與下限工作頻率之比遠(yuǎn)大于1的放大電路，在通信系統(tǒng)中起到非常重要的作用，廣泛應(yīng)用于A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、波形發(fā)生器、視頻放大器等電路。本文介紹的低噪聲寬帶放大器，主要特點(diǎn)是采用+5 V單電源供電。在實(shí)際應(yīng)用中，提供5 V電池供電即可工作，使用上帶來了很大的便利。對(duì)使用高電壓及大電流運(yùn)算放大器的特定應(yīng)用而言，采用單電源供電將使其切實(shí)獲益。此外，在該寬帶放大器的設(shè)計(jì)上，還特別注意了噪聲的影響，尤其在電源模塊上減小輸出噪聲，使整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)+5 V供電的低噪聲寬帶放大器，將有很好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方框圖
本系統(tǒng)由前級(jí)放大、電壓轉(zhuǎn)換、功率放大和峰值檢波4部分組成，整體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。輸入端通過分壓網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)源輸出信號(hào)變?yōu)榉宸逯?0 mV小信號(hào)?？紤]到多級(jí)放大會(huì)引入更大的噪聲，系統(tǒng)只采用兩級(jí)放大。前級(jí)放大采用OPA820，并采用反相輸入法以提高通頻帶，可將小信號(hào)放大12倍。末級(jí)放大用高速運(yùn)放THS3091實(shí)現(xiàn)，可使頻帶在20 Hz～10 MHz的前提下，總增益達(dá)140倍。TPS61087電源模塊將5 V電壓轉(zhuǎn)化為18 V給末級(jí)THS3091功率放大模塊供電。峰峰值的測(cè)量由程序?qū)崿F(xiàn)，并通過液晶顯示。

2 理論分析與計(jì)算
2．1 增益帶寬積
增益帶寬積(GBP)為電壓增益G與通頻帶BW的乘積，GBP=GxBW。對(duì)于電壓反饋型運(yùn)放，由放大電路頻率特性分析可知，無反饋和電壓反饋時(shí)電壓放大倍數(shù)分別為：

其中F為反饋系數(shù)，Avm為通帶內(nèi)電壓增益fh為無反饋時(shí)運(yùn)放截止頻率。比較兩式可知，存在電壓反饋時(shí)，運(yùn)放通帶增益、通頻帶分別為：

可見，引入電壓負(fù)反饋后GBP=Avm·fh，增益帶寬積仍為一常數(shù)。選擇電壓反饋型運(yùn)放時(shí)根據(jù)該級(jí)增益來確定增益帶寬積，保證該級(jí)運(yùn)放不限制級(jí)連系統(tǒng)的帶寬。系統(tǒng)選用的OPA820增益帶寬積為480 MHz，在系統(tǒng)中該運(yùn)放增益設(shè)為12，則可計(jì)算得，BW=40 MHz>>10 MHz，足以滿足設(shè)計(jì)要求。
對(duì)于電流反饋型運(yùn)放，根據(jù)反饋理論可知，，且R0R1，R0R2，則通頻帶寬度fc=1／2π·Ceq·R2。因此電路通頻帶僅由反饋電阻和內(nèi)部電路確定，與電路增益無關(guān)。因而電流反饋型運(yùn)放沒有增益帶寬積的限制。本系統(tǒng)使用電流反饋型運(yùn)放THS30 91用于后級(jí)高增益放大，當(dāng)增益G=2時(shí)，帶寬BW=210 MHz。前級(jí)放大增益為12倍，故后級(jí)至少要放大為8．3倍，才可保證系統(tǒng)的最大增益超過40 dB。由上述分析可知，正常工作時(shí)，系統(tǒng)放大電路在10 MHz以內(nèi)頻帶幾乎無運(yùn)放帶寬限制造成的衰減。
2．2 放大器穩(wěn)定性分析
當(dāng)放大器工作在高頻區(qū)或低頻區(qū)時(shí)，電路的電抗元件和有源器件的電抗效應(yīng)將會(huì)產(chǎn)生附加相移。如果放大器為多極點(diǎn)反饋系統(tǒng)，在某一頻率上產(chǎn)生的附加相移可能達(dá)到180°，這時(shí)雖在中頻區(qū)引入的是負(fù)反饋，但在高頻區(qū)或低頻區(qū)將變?yōu)檎答?。?dāng)正反饋信號(hào)增強(qiáng)到一定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生自激。經(jīng)分析知，多極點(diǎn)反饋放大器閉環(huán)增益。其中A(jω)為無反饋時(shí)的增益函數(shù)，B(jω)為反饋系數(shù)。若在某一頻率ωosc上，滿足環(huán)路增益T(jωosc)，閉環(huán)增益函數(shù)Af(jωosc)趨于無窮大。說明輸入信號(hào)為零時(shí)，仍有某一頻率信號(hào)輸出，出現(xiàn)自激。如果當(dāng)φT(ω)=±π時(shí)，T(ω)1，放大電路就不會(huì)自激。若放大器施加阻性反饋，B為實(shí)數(shù)，|T(jω)|=1可表示為20lgA(ωc)=20lg(1／B)。當(dāng)在實(shí)際中，要保證反饋放大器穩(wěn)定工作．須使相位裕量γ>45°。
在設(shè)計(jì)放大器時(shí)，要留一定的相位裕量。若電路產(chǎn)生自激，在電路適當(dāng)?shù)胤郊尤胙a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，改變電路原有頻率特性，破壞其自激條件。