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)將信號源輸出信號變?yōu)榉宸逯?0 mV小信號?？紤]到多級放大會引入更大的噪聲，系統(tǒng)只采用兩級放大。前級放大采用OPA820，并采用反相輸入法以提高通頻帶，可將小信號放大12倍。末級放大用高速運(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THS3091功率放大模塊供電。峰峰值的測量由程序?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)該級增益來確定增益帶寬積，保證該級運(yùn)放不限制級連系統(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。
對于電流反饋型運(yùn)放，根據(jù)反饋理論可知，
，且R0<
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)正反饋信號增強(qiáng)到一定值時(shí)，就會產(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。說明輸入信號為零時(shí)，仍有某一頻率信號輸出，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。
2．3 單電源供電放大器工作狀態(tài)分析
大多數(shù)集成運(yùn)算放大器電路采用正、負(fù)對稱的雙電源供電，本系統(tǒng)采用5 V單電源供電，在只有一組電源的情況下，集成運(yùn)算放大器也能正常工作。圖2所示為兩種采用單電源供電的供電電路。
采用單電源對集成運(yùn)算放大器供電的常用方法是，把集成運(yùn)算放大器兩輸入端電位抬高(且通常抬高至電源電壓的一半，即VCC／2)，抬高后的這個(gè)電位就相當(dāng)于雙電源供電時(shí)的“地”電位，因此在靜態(tài)工作時(shí)，輸出端的電位也將等于兩輸入端的靜態(tài)電位，即VCC／2。圖2(a)為反相接法，其中滑動變阻器和R1和R3為運(yùn)放提供VCC／2的直流偏置電壓，電容C1和C2為交流地，電阻R2和R3提供交流增益G=R2／R1。圖2(b)為同相接法，其中C1和C2為隔直電容，VCC配合電阻R1、R2和電位器分壓為電路提供直流電壓偏置。C為交流地，R1和R2提供交流增益G=R2／R1+1。
2．4 雙值數(shù)值峰值檢波的實(shí)現(xiàn)及理論分析
待測信號頻率范圍為10 Hz～15 MHz，由采樣定律，采樣頻率要大于兩倍的最高頻率，那樣采樣頻率要達(dá)到30 MHz以上，但MSP430單片機(jī)無法做到這么高的采樣頻率。考慮到峰值檢波不同于測頻，只需要采到周期信號中的峰值即可，因此可以用欠采樣的方法，即使用較低的采樣率去采樣高頻信號，只要保證采到足夠多不同幅度的點(diǎn)，就可保證得到逼近峰值的電壓。但是當(dāng)待測信號頻率為采樣頻率整數(shù)倍時(shí)，只能采到周期信號中的固定幅度，即單頻率采樣時(shí)有采樣盲區(qū)。所以采取用兩個(gè)相隔很小的頻率來采樣，當(dāng)其中一個(gè)頻率采到盲區(qū)時(shí)，另一個(gè)可以正常采樣，這樣可以消除盲區(qū)。本方案采用的兩個(gè)采樣頻率分別為f1=32．786 kHz和f2=32．768 kHz，由分析知等效采樣率f=(f1xf2)／(f1-f2)≈60 MHz，足以滿足題目要求。
3 主要功能電路設(shè)計(jì)
3．1 前級放大電路設(shè)計(jì)
采用高速運(yùn)算放大器OPA820ID作為第一級放大電路。OPA820ID是一款單位增益穩(wěn)定、低噪聲、電壓反饋型放大器。增益G=±2時(shí)帶寬240 MHz。雖然它不是軌對軌(RR)輸出，但比典型RR輸出運(yùn)算放大器有著更低的功耗及噪聲。采用反向放大的接法，具體電路如理論分析部分圖2(a)所示，其中Rl=100Ω，R2=510Ω，R3=51Ω，電位器R量程1 kΩ。
3．2 電源模塊
由于采用單電源+5 V供電．而THS3091的供電電壓需要+15 V，因此采用TPS61087實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。TPS061087是一款高頻率、高效率的升壓DC—DC轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓Vs與電阻R1、R2的關(guān)系滿足Vs=1．238×(R1／R2+1)。由于后級THS3091的供電電壓越高可使噪聲越小、精度越高，因此取饋電阻R1=240 kΩ，R2=18 kΩ，將末級放大的供電電壓提升到18 V，以滿足放大及低噪聲的需要。具體電路如圖3所示。
電源輸入輸出噪聲是關(guān)鍵問題，若噪聲過大會使整個(gè)系統(tǒng)的波形雜亂甚至失真。為此在輸入、輸出端加入共模扼流圈及π型網(wǎng)絡(luò)以減小噪聲。此外，如果電阻取值不當(dāng)或電路焊接不好會使TPS61087無法穩(wěn)壓，即無法帶動負(fù)載。因此在電路的焊接上很注意，嚴(yán)格按照芯片資料上的PCB圖焊接。
3．3 A／D采樣模塊
ADS803是12位并口高速流水型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率為5Ms／s。輸入電壓范圍為0～+2V，0～+5V，內(nèi)置寬帶采樣保持器，電壓基準(zhǔn)源，具有很高的SNR和SFDR。CM輸出25 V電壓提供給VREF，SEL接地，使輸入范圍為0～+5 V。由于輸出數(shù)據(jù)線上存在尖峰干擾脈沖，故在輸出端串聯(lián)一個(gè)100 Ω的小電阻，以降低信號上下沿的跳變速度。同時(shí)，在時(shí)鐘輸入端與地間接入1個(gè)容量為100 pF的小電容，以吸收尖峰干擾脈沖。電路連接應(yīng)注意數(shù)字地與模擬地的連接。電路圖如圖4所示。
3．4 末級功率放大電路設(shè)計(jì)
采用THS3091ID做末級放大電路，THS3091是一款高輸出，低失真，電流反饋型放大器。當(dāng)負(fù)載為100Ω，增益為2時(shí)，帶寬為210 MHz。為了達(dá)到增益要求，用3片THS3091ID并聯(lián)放大，具體電路如圖5所示。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分基于MSP430F449單片機(jī)處理平臺，主要完成數(shù)字峰值檢測功能。通過定時(shí)器A和定時(shí)器B產(chǎn)生兩種采樣頻率交替采樣，得到最大值和最小值，其差值為峰峰值。流程圖如圖6所示。
5 測試方案與測試結(jié)果
1)最大增益測試 用Agilent信號源給出峰峰值500 mV的正弦掃頻信號，經(jīng)準(zhǔn)確的分壓電路后峰峰值為30 mV。用示波器讀取輸出信號在整個(gè)掃頻范圍內(nèi)的電壓峰峰值為4．23 V，最大增益43 dB。
2)噪聲測試 將輸入端接地，用示波器讀取輸出端噪聲電壓，測得最大峰峰值為200 mV。
3)通頻帶測試 在信號經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)后峰峰值30 mV的情況下，改變輸入信號頻率，測得輸出信號峰峰值在10 Hz和15 MHz處衰減為-3 dB。在20 Hz～10 MHz的頻率范圍內(nèi)保持最大增益43 dB，且增益起伏小于1 dB。
4)峰值檢波測試 在通頻帶范圍內(nèi)改變輸入信號頻率，分別用示波器讀輸出信號峰峰值，與MSP430系統(tǒng)板上液晶顯示的數(shù)據(jù)相比較，算得測量相對誤差小于5％。
6 結(jié)束語
本系統(tǒng)在單電源供電的前提下，較好地完成了低噪聲寬帶放大的功能。其中最大增益43dB，通頻帶10Hz～15MHz，噪聲小于200mV。測量放大器輸出電壓的峰峰值的相對誤差小于5％。
系統(tǒng)誤差來源于DC—DC芯片對電源的影響，THS3091在大電流下溫度變化引起的系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，以及A／D采樣的量化誤差。為此，系統(tǒng)采取了一系列抗干擾措施抑制自激和減小噪聲，輸入級和功率輸出級采用隔離供電，電源部分輸入和輸出端都采取了一些濾波措施，以減小它對前后級電路的影響。系統(tǒng)后級電路工作電流較大，容易發(fā)熱，采用風(fēng)扇散熱的方法來減小溫度變化對系統(tǒng)工作的影響。