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5V单电源供电的低噪声宽带放大器

作者:时间:2011-08-02来源:网络收藏

摘要:以单片机MSP430F449为控制核心,设计了一个5 V单的低。采用单位增益稳定低运放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。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。系统的输出小于200mV。
关键词:;低噪声;高增益;5 V单

,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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/178798.htm

a.jpg



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:
b.jpg
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:
c.jpg
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,d.jpg,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e.jpg。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。


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