一种低噪声零中频放大器的设计与实现
摘要:文中介绍了一种低噪声的零中频放大器的设计与实现,通过选用合适的集成运算放大器芯片,完成低噪声、高增益并具备滤波效果的零中频放大器的设计。阐述了运放芯片的选择依据,电路的工作原理并使用Cadence制板软件完成了电路板的设计。实际测试结果表明,该电路工作稳定,噪声、增益、滤波特性等效果均很好。
近年来,随着技术进步和制作工艺的提高,零中频技术广泛应用在通信领域,并在其他领域的应用也逐步扩大。作为高增益的放大器,噪声的抑制设计特别重要,否则噪声经过放大后,再加上电路的本底噪声,信噪比将很差,同时也要避免运算放大器的自激,破坏自激条件。本文中介绍的零中频放大器是将150 kHz内微弱的微伏级信号进行放大,放大倍数为2 800倍,接近70 dB;加入了滤波电路,有效抑制地抑制了谐波;选用了合适的芯片和电路结果,使得整个系统噪声很小。
1 电路设计
1.1 系统总体设计方案
在进行系统设计的时候,首先得考虑增益的分配问题,这直接关系到整个系统最后的性能,也关系到芯片性能的选择与芯片使用的数量。式(1)为级联电路的噪声系数公式:
![](../img/eep/emb/emb-45456j0404b5oygx.jpg)
式中,Fi为第i级电路的噪声系数,Gi为第i级电路的额定功率增益。可以看出,各级内部噪声的影响并不相同,级数越靠前,对总的噪声系数的影响越大。所以,为了使整个零中频放大器的总噪声系数小,第一级和第二级选择的运算放大器要满足噪声系数小、增益高。在本设计中,把第一、二级分别作为低噪声放大器和低通滤波器。
为增强电路的抗干扰能力,使用差分线进行传输,这样做的好处主要有两点:1)可以进行远距离信号传输;2)对外部电磁干扰(EMI)是高度免疫的。在第二级信号输出端对其进行处理变成差分信号,这里有两种方法,一种是使信号通过一级同相放大与一级反相放大实现差分,另一种是直接使用单端转差分的芯片。在本设计中,鉴于方便性与可靠性,选择了后者。
![](../img/eep/emb/emb-45457or4midorwbv.jpg)
最后,再用两个运算放大器对差分信号分别进行放大,同时增强其输出电流驱动能力。图1所示为整个零中频放大器电路的系统框图,并显示了每一级的电压放大倍数。
1.2 芯片选择与相应电路设计
芯片的选择主要由需要的性能指标决定,但满足要求的芯片一般都比较多,进一步的选择要考虑供电要求,这样便于统一供电,同时在系统前级的运算放大器压摆率要小于后级鉴于,此外.价格因素也不容忽视。
鉴于前两级的低噪高增益要求,选用了TI公司的OPA1612芯片,该芯片的电源供电范围很广,从±2.25 V到±18 V,压摆率为27V/μs,开环增益可达130 dB。噪声性能极好,为1.1n V/
![](../img/eep/emb/emb-45458zhnu1dt0yth.jpg)
。在100 Hz~150 kHz其等效输入噪声为1.1×
![](../img/eep/emb/emb-45459v2ucxwrm3mw.jpg)
≈425.886nV,20 dB放大基础下,信噪比将非常好。图2为设计的前两级电路原理图,采用了多路反馈(MFB)结构,这种结构主要用于高增益的滤波器中。这种结构最大的好处是设计灵活,在制板的时候采用这种结构方便调试。第一级和第二级的放大倍数分别为:
![](../img/eep/emb/emb-45460leqvurdu1kt.jpg)
图中R1的作用主要是为前级电路提供直流回路,C1是隔直电容。此外,电阻的选择要合理,过大会增加电路的热噪声,过小会使功耗提高。
在本文设计的零中频放大器中,单端转差分的设计方案采用ADA4941-1芯片,它可工作在±5 V,无需外部元件就能获得2倍增益,在实际设计的时候,考虑到增益分配的问题,加入了电阻反馈网络,获得4倍增益。该芯片的失真度也很小,达到了-110 dBc(100 kHz)。图3所示为ADA4941-1的工作原理图。输出电压为:
![](../img/eep/emb/emb-45461xob1yhb3osq.jpg)
式中,VIN为前级的输出电压,VG为外部输入电压,VREF为连接到REF引脚上的电压,由式(2)和式(3)可知,输出共模电压为:
![](../img/eep/emb/emb-45462jjeczak4l33.jpg)
即输出共模电压即为连接到REF引脚上的电压。在本设计中VG=0,VREF=0,R8=1.1 kΩ,R10=3.3 kΩ,可知,输出共模电压为0,放大倍数为4倍,值得注意的是DIS为禁用管脚,在±5 V供电的时候DIS管脚上的电压要不大于-4 V才能使芯片工作。
![](../img/eep/emb/emb-45463ycpp1cydx5s.jpg)
最后一级主要是提高驱动能力并进一步提高增益,需要选用输出电流能力大的运算放大器。选用LMH6643,该芯片集成了两个运放,可分别为前面的差分信号提供服务,可用±5 V供电,线性输出电流达±75 mA,压摆率为130V/μs。图4给出了反相信号的放大电路原理图,正相信号与反相信号的工作原理一致,采用的也是多路反馈结构,放大倍数为7倍,R19=2 kΩ,这个电阻特别重要,不合适的值会引起信号的失真。
2 设计结果
原理图设计完成后就开始PCB的制作,使用Cadence公司的OrCAD软件画PCB板。由于零中频放大器前级通常
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