5V单电源供电的低噪声宽带放大器

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。

5 测试方案与测试结果
1)最大增益测试 用Agilent信号源给出峰峰值500 mV的正弦扫频信号，经准确的分压电路后峰峰值为30 mV。用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。