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。
关键词：宽带放大器；低噪声；高增益；5 V单电源供电

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R0R1，R0R2，则通频带宽度fc=1／2π·Ceq·R2。因此电路通频带仅由反馈电阻和内部电路确定，与电路增益无关。因而电流反馈型运放没有增益带宽积的限制。本系统使用电流反馈型运放THS30 91用于后级高增益放大，当增益G=2时，带宽BW=210 MHz。前级放大增益为12倍，故后级至少要放大为8．3倍，才可保证系统的最大增益超过40 dB。由上述分析可知，正常工作时，系统放大电路在10 MHz以内频带几乎无运放带宽限制造成的衰减。
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。