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1、5V单电源供电的低噪声宽带放大器摘要：以单片机MSP43OF449为控制核心，设计了一个5 V单电源供电的低噪声宽带 放大器。采用单位增益稳定低噪声运放OPA82O作为前级放大，高速运放THS3091作为末 级放大，其中利用DCDC变换器TPS61087将5 V电压转化为18 V从而为末级放大电路 供电。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放大器输 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 Q负载上，最大不失真输出电压峰峰值为42V。系 统的输出噪声小于200mV。关键词：
2、宽带放大器；低噪声；高增益；5 V单电源供电宽带放大器，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、 视频放大器等电路。本文介绍的低噪声宽带放大器，主要特点是采用+5 V单电源供电。在 实际应用中，提供5V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
3、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OPA82O,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。分压岡络单片机F449ITADS8G3电勇紀虻图I系统
4、整体證图0PAS2O2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：4 u 彳吶 A -一 加 - 心1出4艸一厂l+j)宀“严久一 1甘旳(2护九)认其中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：4百点匚石点和)吭wn可见，引入电压负反馈后GBP=Avmfh，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
5、选用的 OPA82O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 MHzio MHz，足以满足设计要求。空二你妳对于电流反馈型运放，根据反馈理论可知，且RoRi,RoR2,则通频带宽度fc=i/2nCeqR2。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=2io 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
6、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A f快匕 小j) 匸岁L。其中A(j3)为无反馈时的增益函数，B(j3)为反馈系数。若在某一频率sosc上，满足环路增益T(jwosc)，闭环增益函数AfQsosc )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。如果当申
7、T(s)=士n时,T(3)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。2. 3单电源供电放大器工作状态分析大多数集成运算放大器电路采用正、负对称的双电源供电，本系统采用5 V单电源供电, 在只有一组电源的情况下，集成运算放大器也能正常工作。图2所示为两种采用单电源供 电的供电电路。仙单电羸供屯反相就丸电霜 invert Arail if ier module ve ih lifigle powet SLippty(册单电源供屯同相放大电Jft tbln&iiinverting adpliritr module i
8、dthxnale :Kh陪：si:js O fTX&f困2卿种牟电簇说堪电睹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/20 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/Ri。图2(b)为同相接法，其中 C1和C2为隔直电容，VCC配合电阻Ri、R2和电位器分压为电路提供直流电压偏置。C 为交流地
9、，Ri和R2提供交流增益G=R2 / Rl+1o2. 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 Hz15 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MSP43O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
10、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 fi=32. 786 kHz 和 f2=32. 768 kHz，由分析知等效采样率 f=(fixf2)/ (fi-f2)=6o 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OPA82OID作为第一级放大电路0PA820lD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=iooQ, R2=5ioQ, R3=
11、5iQ，电位器R量程1 kQ。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DCDC转换器，其输出电压Vs 与电阻Ri、R2的关系满足Vs=i. 238x(Ri/R2+i)。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Ri=240 kQ，R2=i8 kQ,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。3.图于电源模块电路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
12、端加入共模扼流圈及n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 Q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i个容量为100 p
13、F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。*5Vi IOOO. A1 100Q S;icon 6；1DQ11pooii x；icon g；iQ.on JLLf jkOJ 11VlDCn 12? 10DQ 13.KlB2B5師B踽BIOHIBI22Qim-EH.1；m&lkJS d, 1uf图4峰值僭演电虑jl时yT3- 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100Q,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
14、图5所示。vec +5VTHS3091丄1 pF10&WS3O919Q1CND供1) VCC 1JLV1吐门rlB图5 1US3O91 大艇路fitE丁 HS3091r4系统软件设计系统软件设计部分基于MSP43OF449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。I冕时單釆样I直婕B呆样I|城捉痙跆6衽序危程图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
15、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 dBo在20 Hz10 MHz的频率范围内保持 最大增益43 dB，且增益起伏小于1 dBo4）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10Hz15MHz，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%o系统误差来源于DCDC芯片对电源的影响，THS3091在大电流下温度
