一種低噪聲高增益零中頻放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：文中介紹了一種低噪聲的零中頻放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過選用合適的集成運(yùn)算放大器芯片，完成低噪聲、高增益并具備濾波效果的零中頻放大器的設(shè)計(jì)。闡述了運(yùn)放芯片的選擇依據(jù)，電路的工作原理并使用Cadence制板軟件完成了電路板的設(shè)計(jì)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該電路工作穩(wěn)定，噪聲、增益、濾波特性等效果均很好。

近年來，隨著技術(shù)進(jìn)步和制作工藝的提高，零中頻技術(shù)廣泛應(yīng)用在通信領(lǐng)域，并在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步擴(kuò)大。作為高增益的放大器，噪聲的抑制設(shè)計(jì)特別重要，否則噪聲經(jīng)過放大后，再加上電路的本底噪聲，信噪比將很差，同時(shí)也要避免運(yùn)算放大器的自激，破壞自激條件。本文中介紹的零中頻放大器是將150 kHz內(nèi)微弱的微伏級(jí)信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為2 800倍，接近70 dB;加入了濾波電路，有效抑制地抑制了諧波;選用了合適的芯片和電路結(jié)果，使得整個(gè)系統(tǒng)噪聲很小。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先得考慮增益的分配問題，這直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)最后的性能，也關(guān)系到芯片性能的選擇與芯片使用的數(shù)量。式(1)為級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)公式：

式中，F(xiàn)i為第i級(jí)電路的噪聲系數(shù)，Gi為第i級(jí)電路的額定功率增益?？梢钥闯?，各級(jí)內(nèi)部噪聲的影響并不相同，級(jí)數(shù)越靠前，對(duì)總的噪聲系數(shù)的影響越大。所以，為了使整個(gè)零中頻放大器的總噪聲系數(shù)小，第一級(jí)和第二級(jí)選擇的運(yùn)算放大器要滿足噪聲系數(shù)小、增益高。在本設(shè)計(jì)中，把第一、二級(jí)分別作為低噪聲放大器和低通濾波器。

為增強(qiáng)電路的抗干擾能力，使用差分線進(jìn)行傳輸，這樣做的好處主要有兩點(diǎn)：1)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸;2)對(duì)外部電磁干擾(EMI)是高度免疫的。在第二級(jí)信號(hào)輸出端對(duì)其進(jìn)行處理變成差分信號(hào)，這里有兩種方法，一種是使信號(hào)通過一級(jí)同相放大與一級(jí)反相放大實(shí)現(xiàn)差分，另一種是直接使用單端轉(zhuǎn)差分的芯片。在本設(shè)計(jì)中，鑒于方便性與可靠性，選擇了后者。

最后，再用兩個(gè)運(yùn)算放大器對(duì)差分信號(hào)分別進(jìn)行放大，同時(shí)增強(qiáng)其輸出電流驅(qū)動(dòng)能力。圖1所示為整個(gè)零中頻放大器電路的系統(tǒng)框圖，并顯示了每一級(jí)的電壓放大倍數(shù)。

1.2 芯片選擇與相應(yīng)電路設(shè)計(jì)

芯片的選擇主要由需要的性能指標(biāo)決定，但滿足要求的芯片一般都比較多，進(jìn)一步的選擇要考慮供電要求，這樣便于統(tǒng)一供電，同時(shí)在系統(tǒng)前級(jí)的運(yùn)算放大器壓擺率要小于后級(jí)鑒于，此外.價(jià)格因素也不容忽視。

鑒于前兩級(jí)的低噪高增益要求，選用了TI公司的OPA1612芯片，該芯片的電源供電范圍很廣，從±2.25 V到±18 V，壓擺率為27V/μs，開環(huán)增益可達(dá)130 dB。噪聲性能極好，為1.1n V/

。在100 Hz～150 kHz其等效輸入噪聲為1.1×

≈425.886nV，20 dB放大基礎(chǔ)下，信噪比將非常好。圖2為設(shè)計(jì)的前兩級(jí)電路原理圖，采用了多路反饋(MFB)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)主要用于高增益的濾波器中。這種結(jié)構(gòu)最大的好處是設(shè)計(jì)靈活，在制板的時(shí)候采用這種結(jié)構(gòu)方便調(diào)試。第一級(jí)和第二級(jí)的放大倍數(shù)分別為：

圖中R1的作用主要是為前級(jí)電路提供直流回路，C1是隔直電容。此外，電阻的選擇要合理，過大會(huì)增加電路的熱噪聲，過小會(huì)使功耗提高。

在本文設(shè)計(jì)的零中頻放大器中，單端轉(zhuǎn)差分的設(shè)計(jì)方案采用ADA4941-1芯片，它可工作在±5 V，無需外部元件就能獲得2倍增益，在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到增益分配的問題，加入了電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，獲得4倍增益。該芯片的失真度也很小，達(dá)到了-110 dBc(100 kHz)。圖3所示為ADA4941-1的工作原理圖。輸出電壓為：

式中，VIN為前級(jí)的輸出電壓，VG為外部輸入電壓，VREF為連接到REF引腳上的電壓，由式(2)和式(3)可知，輸出共模電壓為：

即輸出共模電壓即為連接到REF引腳上的電壓。在本設(shè)計(jì)中VG=0，VREF=0，R8=1.1 kΩ，R10=3.3 kΩ，可知，輸出共模電壓為0，放大倍數(shù)為4倍，值得注意的是DIS為禁用管腳，在±5 V供電的時(shí)候DIS管腳上的電壓要不大于-4 V才能使芯片工作。

最后一級(jí)主要是提高驅(qū)動(dòng)能力并進(jìn)一步提高增益，需要選用輸出電流能力大的運(yùn)算放大器。選用LMH6643，該芯片集成了兩個(gè)運(yùn)放，可分別為前面的差分信號(hào)提供服務(wù)，可用±5 V供電，線性輸出電流達(dá)±75 mA，壓擺率為130V/μs。圖4給出了反相信號(hào)的放大電路原理圖，正相信號(hào)與反相信號(hào)的工作原理一致，采用的也是多路反饋結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)為7倍，R19=2 kΩ，這個(gè)電阻特別重要，不合適的值會(huì)引起信號(hào)的失真。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果

原理圖設(shè)計(jì)完成后就開始PCB的制作，使用Cadence公司的OrCAD軟件畫PCB板。由于零中頻放大器前級(jí)通常是高頻電路，為防止高頻信號(hào)泄漏對(duì)其產(chǎn)生干擾，同時(shí)也為了安裝方便，將零中頻放大器電路板裝配在金屬盒中，設(shè)計(jì)的電路板為單面板，底層全為地。設(shè)汁的電路板尺寸為45 mm×25 mm。圖5和圖6為設(shè)計(jì)的PCB與實(shí)物圖。

3 測(cè)試結(jié)果

對(duì)設(shè)計(jì)好的零中頻放大器電路板進(jìn)行焊接和裝配，采用±8 V供電，經(jīng)過7905和7805兩款穩(wěn)壓芯片后得到-5 V和+5 V，為設(shè)計(jì)中用到的運(yùn)算放大器芯片OPA1612，ADA4941-1，LMH6643進(jìn)行供電。

圖7(a)為輸入信號(hào)峰峰值為2 mV，頻率為50 kHz時(shí)的波形，其輸出峰峰值為5.6 V，可得到該放大器的增益為68.9 dB;圖7(b)給出了50 kHz時(shí)的頻譜特性，其中在61 kHz處的頻譜是由信號(hào)源本身自帶的，與設(shè)計(jì)的系統(tǒng)無關(guān);圖7(c)顯示了整個(gè)系統(tǒng)的濾波特性，其3 dB帶寬約為150 kHz，由于設(shè)計(jì)中采用了巴特沃斯濾波器結(jié)構(gòu)，在150 kHz內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線比較平滑，觀察頻譜幅度可以發(fā)現(xiàn)信號(hào)比噪聲幅度至少大40 dB，抑制噪聲效果良好;圖7(d)顯示了用ADA4941-1芯片來實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分的測(cè)試結(jié)果，可以看出，在4倍放大的情況下相位偏差與幅度偏差均非常小;圖7(e)為測(cè)試信號(hào)不失真情況下最大可輸出電壓峰峰值為9.8V。從以上測(cè)試結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)效果良好，實(shí)現(xiàn)了低噪聲、高增益的目標(biāo)。

4 結(jié)論

文中主要闡述了一種低噪聲零中頻放大器的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)介紹了設(shè)計(jì)依據(jù)、芯片選擇及其工作原理，并簡(jiǎn)單介紹了設(shè)計(jì)中該注意的問題。該系統(tǒng)目前已通過最終的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果良好，實(shí)現(xiàn)了低噪聲、高增益的設(shè)計(jì)目標(biāo)。