5V单电源供电的低噪声宽带放大器

　　摘要：以单片机MSP430F449为控制核心，设计了一个5 V单电源供电的低噪声宽带放大器。采用单位增益稳定低噪声运放OPA820作为前级放大，高速运放THS3091作为末级放大，其中利用DC—DC变换器TPS61087将5 V电压转化为18 V从而为末级放大电路供电。此外，系统还采用12位高速A/D转换器ADS803实现了测量并数字显示放大器输出电压峰峰值的功能，测量误差小于5%。本系统最高电压增益达到43 dB，上限及下限截止频率达到15 MHz和20 Hz，在50 Ω负载上，最大不失真输出电压峰峰值为4.2V。系统的输出噪声小于200mV。

　　宽带放大器，即上限工作频率与下限工作频率之比远大于1的放大电路，在通信系统中起到非常重要的作用，广泛应用于A/D转换器、D/A转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电路。本文介绍的低噪声宽带放大器，主要特点是采用+5 V单电源供电。在实际应用中，提供5 V电池供电即可工作，使用上带来了很大的便利。对使用高电压及大电流运算放大器的特定应用而言，采用单电源供电将使其切实获益。此外，在该宽带放大器的设计上，还特别注意了噪声的影响，尤其在电源模块上减小输出噪声，使整个系统工作稳定。为此，设计了一个+5 V供电的低噪声宽带放大器，将有很好的应用前景。

　　1 系统总体设计方案及实现方框图

　　本系统由前级放大、电压转换、功率放大和峰值检波4部分组成，整体实现框图如图1所示。输入端通过分压网络将信号源输出信号变为峰峰值30 mV小信号。考虑到多级放大会引入更大的噪声，系统只采用两级放大。前级放大采用OPA820，并采用反相输入法以提高通频带，可将小信号放大12倍。末级放大用高速运放THS3091实现，可使频带在20 Hz～10 MHz的前提下，总增益达140倍。TPS61087电源模块将5 V电压转化为18 V给末级THS3091功率放大模块供电。峰峰值的测量由程序实现，并通过液晶显示。

　　2 理论分析与计算

　　2.1 增益带宽积

　　增益带宽积(GBP)为电压增益G与通频带BW的乘积，GBP=GxBW。对于电压反馈型运放，由放大电路频率特性分析可知，无反馈和电压反馈时电压放大倍数分别为：

　　其中F为反馈系数，Avm为通带内电压增益fh为无反馈时运放截止频率。比较两式可知，存在电压反馈时，运放通带增益、通频带分别为：

　　可见，引入电压负反馈后GBP=Avm·fh，增益带宽积仍为一常数。选择电压反馈型运放时根据该级增益来确定增益带宽积，保证该级运放不限制级连系统的带宽。系统选用的OPA820增益带宽积为480 MHz，在系统中该运放增益设为12，则可计算得，BW=40 MHz>>10 MHz，足以满足设计要求。

　　对于电流反馈型运放，根据反馈理论可知，，且R0<

　　2.2 放大器稳定性分析

　　当放大器工作在高频区或低频区时，电路的电抗元件和有源器件的电抗效应将会产生附加相移。如果放大器为多极点反馈系统，在某一频率上产生的附加相移可能达到180°，这时虽在中频区引入的是负反馈，但在高频区或低频区将变为正反馈。当正反馈信号增强到一定值时，就会产生自激。经分析知，多极点反馈放大器闭环增益。其中A(jω)为无反馈时的增益函数，B(jω)为反馈系数。若在某一频率ωosc上，满足环路增益T(jωosc)，闭环增益函数Af(jωosc)趋于无穷大。说明输入信号为零时，仍有某一频率信号输出，出现自激。如果当φT(ω)=±π时，T(ω)<1，放大电路就不会自激。若放大器施加阻性反馈，B为实数，"T(jω)|=1可表示为20lgA(ωc)=20lg(1/B)。当在实际中，要保证反馈放大器稳定工作.须使相位裕量γ>45°。

　　在设计放大器时，要留一定的相位裕量。若电路产生自激，在电路适当地方加入补偿网络，改变电路原有频率特性，破坏其自激条件。

　　2.3 单电源供电放大器工作状态分析

　　大多数集成运算放大器电路采用正、负对称的双电源供电，本系统采用5 V单电源供电，在只有一组电源的情况下，集成运算放大器也能正常工作。图2所示为两种采用单电源供电的供电电路。

　　采用单电源对集成运算放大器供电的常用方法是，把集成运算放大器两输入端电位抬高(且通常抬高至电源电压的一半，即VCC/2)，抬高后的这个电位就相当于双电源供电时的“地”电位，因此在静态工作时，输出端的电位也将等于两输入端的静态电位，即VCC/2。图2(a)为反相接法，其中滑动变阻器和R1和R3为运放提供VCC/2的直流偏置电压，电容C1和C2为交流地，电阻R2和R3提供交流增益G=R2/R1。图2(b)为同相接法，其中C1和C2为隔直电容，VCC配合电阻R1、R2和电位器分压为电路提供直流电压偏置。C为交流地，R1和R2提供交流增益G=R2/R1+1。

　　2.4 双值数值峰值检波的实现及理论分析

　　待测信号频率范围为10 Hz～15 MHz，由采样定律，采样频率要大于两倍的最高频率，那样采样频率要达到30 MHz以上，但MSP430单片机无法做到这么高的采样频率。考虑到峰值检波不同于测频，只需要采到周期信号中的峰值即可，因此可以用欠采样的方法，即使用较低的采样率去采样高频信号，只要保证采到足够多不同幅度的点，就可保证得到逼近峰值的电压。但是当待测信号频率为采样频率整数倍时，只能采到周期信号中的固定幅度，即单频率采样时有采样盲区。所以采取用两个相隔很小的频率来采样，当其中一个频率采到盲区时，另一个可以正常采样，这样可以消除盲区。本方案采用的两个采样频率分别为f1=32.786 kHz和f2=32.768 kHz，由分析知等效采样率f=(f1xf2)/(f1-f2)≈60 MHz，足以满足题目要求。

　　3 主要功能电路设计

　　3.1 前级放大电路设计

　　采用高速运算放大器OPA820ID作为第一级放大电路。OPA820ID是一款单位增益稳定、低噪声、电压反馈型放大器。增益G=±2时带宽240 MHz。虽然它不是轨对轨(RR)输出，但比典型RR输出运算放大器有着更低的功耗及噪声。采用反向放大的接法，具体电路如理论分析部分图2(a)所示，其中Rl=100Ω，R2=510Ω，R3=51Ω，电位器R量程1 kΩ。

　　3.2 电源模块

　　由于采用单电源+5 V供电.而THS3091的供电电压需要+15 V，因此采用TPS61087实现电压转换。TPS061087是一款高频率、高效率的升压DC—DC转换器，其输出电压Vs与电阻R1、R2的关系满足Vs=1.238×(R1/R2+1)。由于后级THS3091的供电电压越高可使噪声越小、精度越高，因此取馈电阻R1=240 kΩ，R2=18 kΩ，将末级放大的供电电压提升到18 V，以满足放大及低噪声的需要。具体电路如图3所示。

　　电源输入输出噪声是关键问题，若噪声过大会使整个系统的波形杂乱甚至失真。为此在输入、输出端加入共模扼流圈及π型网络以减小噪声。此外，如果电阻取值不当或电路焊接不好会使TPS61087无法稳压，即无法带动负载。因此在电路的焊接上很注意，严格按照芯片资料上的PCB图焊接。

　　3.3 A/D采样模块

　　ADS803是12位并口高速流水型模数转换器，采样率为5Ms/s。输入电压范围为0～+2V，0～+5V，内置宽带采样保持器，电压基准源，具有很高的SNR和SFDR。CM输出25 V电压提供给VREF，SEL接地，使输入范围为0～+5 V。由于输出数据线上存在尖峰干扰脉冲，故在输出端串联一个100 Ω的小电阻，以降低信号上下沿的跳变速度。同时，在时钟输入端与地间接入1个容量为100 pF的小电容，以吸收尖峰干扰脉冲。电路连接应注意数字地与模拟地的连接。电路图如图4所示。

　　3.4 末级功率放大电路设计

　　采用THS3091ID做末级放大电路，THS3091是一款高输出，低失真，电流反馈型放大器。当负载为100Ω，增益为2时，带宽为210 MHz。为了达到增益要求，用3片THS3091ID并联放大，具体电路如图5所示。

　　4 系统软件设计

　　系统软件设计部分基于MSP430F449单片机处理平台，主要完成数字峰值检测功能。通过定时器A和定时器B产生两种采样频率交替采样，得到最大值和最小值，其差值为峰峰值。流程图如图6所示。

示波器读取输出信号在整个扫频范围内的电压峰峰值为4.23 V，最大增益43 dB。

　　2)噪声测试 将输入端接地，用示波器读取输出端噪声电压，测得最大峰峰值为200 mV。

　　3)通频带测试 在信号经分压网络后峰峰值30 mV的情况下，改变输入信号频率，测得输出信号峰峰值在10 Hz和15 MHz处衰减为-3 dB。在20 Hz～10 MHz的频率范围内保持最大增益43 dB，且增益起伏小于1 dB。

　　4)峰值检波测试 在通频带范围内改变输入信号频率，分别用示波器读输出信号峰峰值，与MSP430系统板上液晶显示的数据相比较，算得测量相对误差小于5%。

　　6 结束语

　　本系统在单电源供电的前提下，较好地完成了低噪声宽带放大的功能。其中最大增益43dB，通频带10Hz～15MHz，噪声小于200mV。测量放大器输出电压的峰峰值的相对误差小于5%。

　　系统误差来源于DC—DC芯片对电源的影响，THS3091在大电流下温度变化引起的系统工作不稳定，以及A/D采样的量化误差。为此，系统采取了一系列抗干扰措施抑制自激和减小噪声，输入级和功率输出级采用隔离供电，电源部分输入和输出端都采取了一些滤波措施，以减小它对前后级电路的影响。系统后级电路工作电流较大，容易发热，采用风扇散热的方法来减小温度变化对系统工作的影响。